Мировая энергетическая революция

Несмотря на гигантские электростанции и огромные плотины, приведшие к созданию настоящих внутренних морей и известные большинству наших соотечественников по теленовостям, курсу истории и географии, Россия довольно скромно использует свой гидроэнергетический потенциал. По установленной мощности гидроэлектростанций (46,7 ГВт) РФ занимает пятое место в мире после Китая (260 ГВт), Бразилии (85,7 ГВт), США (78,4 ГВт) и Канады (76,2 ГВт). Также пятое место мы занимаем по годовой выработке электроэнергии гидроэлектростанциями[135].

Абсолютным мировым лидером по доле гидроэнергетики в энергетическом балансе является «нефтегазовая сверхдержава» Норвегия. Несмотря на сырьевые богатства, 96,7 % электричества производится здесь гидроэлектростанциями[136]. Норвегия стремится торговать на мировом рынке не только углеводородами, но и чистой электроэнергией, реализуя, например, проект по морской прокладке 700-километрового кабеля для экспорта энергии в Великобританию[137].

Энергия воды

Человек использует энергию воды с незапамятных времен. В Древней Индии строились водяные мельницы и водяные колеса, в Римской империи водяные мельницы использовались не только для помола зерна, но и для распиловки дерева и камня. В Китае водяные мельницы были известны еще во времена династии Хань (со II в. до н. э.).

В 1753 г. французский генерал-изобретатель Бернар де Белидор опубликовал Architecture Hydraulique, труд, где описывался принцип работы вертикально– и горизонтально-осевых гидравлических машин, которые впоследствии стали сочетать с электрическим генератором после его разработки в XIX веке. В 1767 г. английский инженер Джон Смитон создал первое водяное колесо из чугуна.

Основы современной гидроэнергетики были заложены еще в первой половине XIX века, когда была разработана и описана водяная турбина. В 1837 г. русский изобретатель Игнатий Сафонов создал первый в России двигатель нового типа, водяную турбину. Она имела КПД 0,53, который впоследствии увеличили до 0,70 в промышленных образцах. Одновременно с Сафоновым разработку вел французский инженер Фурнерон, представивший в 1834 г. первый работающий образец своей водяной турбины.

В 1848 г. переехавший в США британский инженер Джеймс Френсис усовершенствовал гидравлическую машину, создав радиально-осевую «турбину Френсиса». Его математические методы расчета и чертежи позволили конструировать высокоэффективные турбины с учетом конкретных условий водяного потока. Турбина Френсиса и сейчас является самым распространенным типом гидротурбин.

Считается, что впервые энергия воды для производства электричества была использована английским промышленником Уильямом Армстронгом в 1878 г. Электростанция служила для питания единственной электродуговой лампы в его художественной галерее.

Первая «полноценная» электростанция была запущена в 1882 г. на Фокс-Ривер в городе Эплтон, штат Висконсин, США. К 1886 г. в США и Канаде работало уже 45 гидроэлектростанций. Стремительное развитие промышленности в сочетании с переходом на электрическое освещение на рубеже веков обусловили бум в гидроэнергетике. В 1889 г. число ГЭС в Северной Америке увеличилось до 200. Первая гидроэлектростанция в России была открыта в 1892 г.

Несмотря на то что гидроэнергетика общепризнанно рассматривается в качестве важного средства, обеспечивающего экономическое развитие без загрязнения атмосферы выбросами углекислого газа, пик ее значимости для мирового энергоснабжения пройден уже давно. Привязка к географическому положению и соответствующее постепенное исчерпание гидроэнергетического потенциала, необходимость в большинстве случаев вывода из оборота земель и переселения жителей, сложность проектирования (географические и геологические условия в каждом случае уникальны), масштабные риски проектных и строительных ошибок, длительные сроки строительства – эти обстоятельства привели к уменьшению доли ГЭС в пользу других форм энергетики (тепловой и атомной).

Если в 1920–1940-х гг. гидроэнергетика обеспечивала до 40 % производства электроэнергии в США, то в настоящее время ее доля составляет 6–8 %[138]. В 1973 г. на гидроэнергетику приходилось 20,9 % мирового производства электричества, в 2012 г. – 16,2 %[139]. В России гидроэлектростанции вырабатывают в настоящее время 16–18 % производимой в стране электроэнергии, что примерно соответствует общемировому уровню.

Гидроэнергетика важна не только для производства электроэнергии. Особый подвид ГЭС – гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) – выполняет важную функцию покрытия пиковых нагрузок электрической сети и ее стабилизации, о чем будет рассказано дальше в главе «Нестабильность ВИЭ и системы хранения энергии».

Издержки гидроэнергетики