В последнее время во всём мире возрастает интерес к неорганическим источникам энергии, или источникам без непосредственного участия химического процесса – горения. К ним относятся не только геотермальные и гелиоисточники, но и гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие и приливные электростанции.
Гидроэлектростанции. Физический принцип работы гидроэлектростанций (ГЭС) основан на преобразовании потенциальной энергии воды, поднятой сооруженной плотиной, в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, вырабатывающем электроэнергию. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу: вода реки не преграждалась плотиной, а просто пропускалась через турбину. Для таких станций требуется большой естественный перепад уровней воды, например, как на Ниагарском водопаде, где и была построена гидроэлектростанция подобного типа. На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные железобетонные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины (рис. 6.10). Плотина не только создает огромное хранилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном итоге – к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на вращающиеся лопасти турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется несколько турбогенераторных агрегатов. Принято считать, что коэффициент полезного действия гидроэлектростанций 60–70 %. Однако этот показатель весьма условен – он не учитывает материальные затраты на строительство ГЭС и убытки вследствие затопления огромной территории, особенно на равнинных реках.
В настоящее время гидроэлектростанции эксплуатируются более чем в 140 странах мира и обеспечивают примерно 1/5 мирового энергопотребления, что эквивалентно энергии, вырабатываемой тепловыми электростанциями при сжигании около 700 млн т нефти в день (6 % ее мировой добычи).
В России построено более 100 гидроэлектростанций, которые вырабатывают существенную часть всей производимой электроэнергии. Современные гидроэлектростанции – это сложнейшие технические сооружения в технологическом исполнении. Построенная под руководством и при участии российских специалистов Асуанская плотина в Египте включена в список выдающихся инженерных сооружений XX в. Это уникальное гидросооружение обеспечивает потребности Египта в воде до 90 % и в электроэнергии до 50 %.
Строительство гидроэлектростанций обходится чрезвычайно дорого. Они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе», как это преподносят не совсем просвещённые толкователи всего сущего…
Первоисточником гидроэнергии служит все же не реки, а Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер, рек и других мест земной кары. Водяной пар конденсируется и выпадает в виде атмосферных осадков в возвышенных местах, с которых она, собираясь в ручьях, в больших и малых реках, стекает вниз в моря. На пути стока на реке сооружается плотина гидроэлектростанции, которая преобразует энергию движущейся воды в электрическую.
Гидроэлектростанции, особенно мощные, нарушают экологическое равновесие, природой установленное. Плотины и водохранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные луга и земли, площадь которых при строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках чрезвычайно велика, так как естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количества паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий и, следовательно, в одних местах к засухам, а в других к наводнениям. В водохранилищах ухудшается качество воды. В застоявшейся воде существенно понижается концентрация растворенного кислорода и, следовательно, создаются неблагоприятные условия для размножения рыб и других живых организмов. Кроме того, около плотины спускаемая вода под сильным напором разрушает естественное русло реки.
Надежность гидроэлектростанций не всегда удовлетворяет требованиям безопасности. Нарушение режима эксплуатации и случайно возникшие неполадки в сложнейшей системе управления могут привести к аварии гидроэлектростанции. Так, крупнейшая техногенная авария, случившаяся в 2009 г. на гигантской Саяно-Шушенской ГЭС, нанесла громадный материальный ущерб и привела к гибели более 70 человек.
Невосполнимый ущерб природе и человечеству наносил и наносит, например, каскад гидроэлектростанций на Волге, равнинной реке. При их строительстве затоплены гигантские площади плодородных земель, тысячи деревень и городов, в том числе и крупных поселений с самобытной культурой. Сотни тысяч жителей были вынуждены переселятся. Многие из них не хотели покидать обжитые места и построенные своими руками родные дома, не хотели оставлять нажитое многолетним тяжким трудом собственное хозяйство, а могилы их родителей, родственников и близких оказались под водой. И некоторые отчаянные люди готовы были оставаться дома, не опасаясь того, что их погубит рукотворный потоп. Но никто с глубоко несчастными переселенцами не своей воле не считался, ведь невежественные властители торопились любыми средствами достичь своей цели безраздельно властвовать сначала в отдельно взятой стране, а потом и во всем мире. А то, что они варварски разрушают природу и погребают под обломками «великих строек» свой народ, их совсем не интересовало.
Подобные экологические и трагические социальные последствия характерны для всех гидроэлектростанций на равнинных реках. В тоже время гидроэлектростанции, построенные на реках с большим естественным перепадом уровня воды – реках с водопадами, горных реках, – наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.
Гидроэлектростанции строятся и в настоящее время. При этом в современных проектах предусматриваются ряд защитных мер: разделение водотока на ступени с несколькими гидронапорными узлами вместо одного высоконапорного, что позволяет снизить уровень воды и, следовательно, сократить площадь затопления в несколько раз; строительство защитных дамб, береговых укреплений, водоотводов для рыбы и др. Всё это в некоторой степени предотвращает антропогенное воздействие на биосферу. Однако стоимость реализации подобных проектов строительства гидроэлектростанций гораздо выше, чем традиционных.
Гидроаккумулирующие электростанции. Такие электростанции служат для аккумулирования избыточной энергии, когда потребление электроэнергии падает, например, ночью. При аккумулировании вода перекачивается из нижнего водоема в верхний (рис.6.11). При этом поступающая извне электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды в верхнем водоеме. В часы, максимальной, пиковой нагрузки в электросети вода из верхнего водоема через гидроагрегаты перетекает в нижний, и запасенная потенциальная энергия воды с помощью генераторов преобразуется в электрическую.
Первая в России гидроаккумулирующая электростанция мощностью 1200 МВт поэтапно введена в эксплуатацию в 1987–2000 гг. на реке Кунье у поселка Богородское в Подмосковье. С 2007 г. ведется строительство ее второй очереди мощностью 840 МВт.
Эффективность гидроаккумулирующих электростанций не очень высокая: только примерно две трети энергии, потраченной на накачку воды, возвращается обратно в электросеть. Строительство таких станций требует больших капиталовложений, поэтому они не получили широкого распространения. Обсуждается более эффективный способ гидроаккумулирования энергии – с использованием подземных водоемов с естественным перепадом уровней воды.
Приливные электростанции. Природа морских приливов оставалась долгое время загадкой, и в то же время некоторые пытливые умы давно поняли, что их громадную энергию можно использовать. Морские приливы – это периодические колебания уровня моря, обусловленные гравитационными силами притяжения Луны и Солнца вместе с центробежными силами вращательной системы: Земля–Луна и Земля–Солнце. Самая большая из таких природных сил – лунная, определяет в основном высоту морских приливов и их специфику. Обычно приливы и отливы бывают два раза в сутки.
В зависимости от расположения моря на земном шаре, формы рельефа морского дна, уровень воды во время прилива может подниматься на высоту от нескольких сантиметров во внутриматериковых морях (Черном, Балтийском и Средиземном) до более десяти метров в вершинах воронкообразных заливов, открытых в сторону океана. Самый большой на нашей планете прилив наблюдается в Канаде в заливе Фанди – уровень воды во время шторма поднимается до 17,3 м. Высота приливов во Франции в порту Гранвиль – 14,7 м, в Великобритании в устье реки Северн – 14,5 м, в России в Пенжинской губе Охотского моря – 13,4 м и в Мезенском заливе Белого моря в устье реки Кулой – 10 м.
Общий потенциал мощности приливов нашей планеты составляет 2500 – 4000 млн кВт и сопоставим с доступным потенциалом мощности всех рек. В настоящее время продолжается энергетическое освоение приливов в 150 странах побережья Мирового океана с планируемой мощностью 811 млн кВт (около 14 % мощности общего энергопотребления).
Энергия приливов используется сравнительно давно: еще в XI в. (тогда физическая природа приливов еще не была разгадана) на берегах морей во Франции и Англии строились небольшие приливные мельницы. Принципиально новый этап освоения энергии приливов начался в середине прошлого века: в 1967 г. была введена в эксплуатацию первая приливная электростанция (ПЭС) на реке Ранс во Франции мощностью 240 кВт, а затем в следующем году была построена Кислогубская ПЭС (400 кВт) в России на берегу Баренцева моря.
К 2005 г. введено в строй более десяти ПЭС в мире. Разработаны проекты крупных ПЭС в Великобритании – Северн (8,6 ГВт), в Канаде – Кобекуинд (4,03 ГВт) и Кемберленд (1,15 ГВт); ведутся проектные работы в Южной Корее, Австралии, Индии и Аргентине. В Китае в ближайшем будущем планируют построить приливную электростанцию мощностью до 300 МВт. Разрабатываются проектные документации в России: для Мезенской ПЭС (11,4–19,7 ГВт), Пенжинской ПЭС (87 ГВт) и др. Многие разработки российских специалистов по строительству ПЭС признаны лучшими в мире.
Опыт эксплуатации приливных электростанций в течение продолжительного времени свидетельствует об их высокой экономической эффективности и экологической безопасности.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.
Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой
России. М.: ООО «Традиция», 2018.
Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.
Карпенков Степан Харланович
Русская Стратегия | 
