Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Энергоресурсы: прогнозы и реальность

Левинзон С. В.,

2.3. Гидроэнергия

Водные ресурсы принадлежат к категории возобновляемых ресурсов, если загрязнение вод в результате хозяйственной деятельности не настолько масштабно, что вызывает необратимые качественные изменения природных вод.

Вода - возобновляемый ресурс, но тем не менее ограниченный. Воду уже назвали "нефтью XXI в.", и существуют все предпосылки к тому, что она будет все более ограничивать использующие ее технологические процессы. В отличие от дерева или других возобновляемых ресурсов общее среднее количество воды, которым располагают люди, фиксировано. Однако не фиксировано постоянство темпов предложения, так как засухи, наводнения и среднегодовые осадки - явления относительно общие. Поскольку все секторы промышленности используют воду, некоторые гораздо больше других, размещение производства, тип и эффективность являются важными факторами водного бюджета [2.71]

К водным ресурсам относятся все виды воды, исключая воду, физически и химически связанную с горными породами и биосферой. Они делятся на две различные группы, состоящие из стационарных запасов воды и возобновляемых запасов, участвующих в процессе круговорота воды и оцениваемых балансовым методом. Для практических нужд необходимы, в основном, пресные воды. Возможность использования пресных вод из стационарных запасов крайне ограничена.

Это относится, например, к проточным озерам, горным ледникам, стационарные запасы которых нельзя использовать путем изъятия воды из них, не нарушая возобновляемых водных ресурсов данного озера, ледника, формируемых в процессе водообмена. Эксплуатация стационарных ресурсов подземных вод, слабо участвующих в процессах водообмена, в ряде случаев возможна без ущерба для возобновляемых ресурсов этих вод. Очевидно,  это относится и к полярным ледникам, обладающим большими единовременными запасами.

   Водные ресурсы планеты. Земля обладает колоссальным объемом воды - около 1,5 млрд. км. Однако 98% этого объема составляют соленые воды Мирового океана  и только 28 млн. км - пресные воды. Поскольку уже известны технологии опреснения соленых морских вод, воды Мирового океана и соленых озер можно рассматривать как потенциальные водные ресурсы, использование которых в будущем вполне возможно. Ежегодно возобновляемые запасы пресных вод не столь велики - по разным оценкам они колеблются от 41 до 45 тыс. км. (ресурсы полного речного стока).

Мировое хозяйство расходует для своих нужд около 4-4,5 тыс. км. , что равно примерно 10% общего водозапаса, и, следовательно, при условии соблюдения принципов рационального водопользования эти ресурсы можно рассматривать как неисчерпаемые[ 2.72]

Однако при нарушении этих принципов ситуация может резко обостриться, и даже в планетарном масштабе может ощущаться дефицит чистых пресных вод. А пока природная среда ежегодно дарит человечеству в 10 раз больше воды, чем ему нужно для удовлетворения самых разнообразных потребностей.

   Дующие на Земле ветры обладают мощностью 2700 ТВт. Правда, лишь 1/4 часть ее можно использовать на высоте до 100 м над поверхностью. Если на всех континентах построить ветряные установки, учитывая только поверхность суши и неизбежные потери, то это может дать максимум 40 ТВт. Однако даже 1/10 часть этой энергии превышает весь гидроэнергетический потенциал [2.73]

Сведения по речному стоку отдельных стран приведены в таблице 2.15,по потреблению гидроэнергии в мире - в 2.16 [2.74].

Таблица 2.15. Речной сток отдельных стран мира

Таблица 2.16.  Потребление  гидроэнергии в мире     

 

 Некоторые из крупнейших ГЭС мира  представлены в таблице 2.18,а график потребления гидроэнергии в % - на рис.2.52[ 2.74].

Таблица 2.17.  Крупнейшие ГЭС  мира 

Рис.2.52.График потребления гидроэнергии в странах мира,% .2011.

 Среди крупнейших производителей гидроэлектроэнергии в мире Норвегия получает наибольшую долю электричества из ГЭС - целых 95 процентов. Другие страны, которые получают большую часть своей электроэнергии за счет воды это: Парагвай (100 процентов), Эфиопия (88 процентов) и Венесуэла (68 процентов). В ряде малых африканских и азиатских стран практически все электричество генерируют ГЭС: Бутан, Демократическая Республика Конго, Лесото, Мозамбик, Непал и Замбия. [2.75]

 Доля России в  мировых запасах водных ресурсов иллюстрируется рис.2.53 [ 2.76].

Рис.2.53 Доля России в мировых запасах водных ресурсов   в % .  

Гидроэнергетический потенциал проектируемой ГЭС можно оценить с помощью формулы [2.77]:

{\displaystyle P=\eta \rho \,Qgh}P =  ηρQgh,                                                                    ( 2.1 )

где -P  мощность в Ваттах,

-η  КПД турбины,

-ρ  плотность воды в килограммах на кубический метр,

-Q  расход воды в кубометрах в секунду,

-g  ускорение свободного падения,

-h  перепад высот в метрах, между урезом воды водохранилища и уровнем, на котором расположена турбина. Поскольку ρ и g в земных условиях можно считать константами, а КПД современных турбин достигает 95%, то формулу можно переписать в виде P= {\displaystyle P=9300Qh}9300Qh Вт.

  Например, КПД турбины составляет 80%, плотность воды - 1000 кг/м3, расход пропускаемой воды - 6 м3, ускорение свободного падения 9,81 м/с2, и напор (перепад высот) 25 метров.

Тогда: Мощность (Вт) составит 0,8 х 1000 х 6 х 9,81 х 25 = 1,18 МВт.

 Считается, чем больше энергопотребление, тем выше уровень жизни. Также полагается, что при превышении некоторого критического уровня ВВП, равного примерно 18 тысячам долларов на человека, общество чувствует себя комфортно, и дальнейшее увеличение ВВП уже не оказывает столь радикального влияния.

 Учитывая, что основная задача энергетики заключается в необходимости достаточного энергообеспечения, можно сделать вывод, что необходимый уровень энергообеспечения достигается не только валовым количеством производства энергии, но и путем энергоресурсосбережения.

  Этот же вывод касается и России. Как показано стрелками на графике [ 2.78]рис.2.54, достичь высокого уровня жизни можно как огромным увеличением производства энергии (это очень длительный путь), так и используя принципы энергоресурсосбережения, почти не увеличивая производство энергии. В этом состоит чрезвычайно тесная связь между производством энергии, потреблением энергии и энергоресурсосбережением.

  В нижней части графика находятся такие страны с низким энергопотреблением и уровнем жизни, как Китай и Индия. Россия тоже, к сожалению, находится в нижней части графика, хотя имеет весьма высокий уровень энергопотребления. Значительно выше критического уровня находятся страны ЕС, Япония, США, Канада.

Но при этом четко выделяются две группы стран с высоким уровнем жизни. Один и тот же высокий уровень жизни может быть достигнут при существенно различных уровнях энергопотребления. Это означает, что такие страны, как Япония, Германия и другие, очень большое внимание уделяют энергосбережению.

Рис.2.54.ВВП и энергопотребление на дущу населения в разных странах мира.

Структура мирового потребления энергоресурсов представлена на рис.2.55, процентное распределение гидроэнергетических ресурсов - на рис.2.56 и ряда стран - на рис.2.57 [ 2.79].

Рис.2.55.Структура  мирового потребления энергоресурсов.

Рис.2.56. Гидроэнергетические ресурсы регионов  мира.

Рис.2.57.Процентное распределение гидроэнергии 6 стран по сотоянию на 2015 год.

Динамика  производства электроэнергии некоторых стран мира приведена на графиках и диаграммах  рис.2.58,2.59 [.2.79].

Рис.2.58.Динамика производства электроэнергии 9 стран мира за период 2014-2015 гг.

Рис.2.59.   Водные ресурсы мира.                             

В глобальном масштабе гидроэнергетика является основным источником электроэнергии, на который приходится более 16% всей электроэнергии, производимой на планете. Больше электроэнергии производится в глобальном масштабе с использованием гидроэнергии, чем на заводах, работающих на ядерном делении или нефти (природный газ и уголь действительно производят больше электроэнергии во всем мире, чем гидроэнергия).

 Более 150 стран производят некоторую часть гидроэнергетики, хотя около 50% всей гидроэнергии производится только четырьмя странами: Китаем, Бразилией, Канадой и Соединенными Штатами. Китай на сегодняшний день является крупнейшим производителем гидроэнергии на планете, как показано на круговой диаграмме рис.2.60.

 Производство гидроэлектроэнергии в Китае за последнее десятилетие утроилось, завершены некоторые из крупнейших в мире проектов по плотине, в частности плотина "Три ущелья" (крупнейшая в мире), которая может производить почти достаточно электроэнергии для питания всей Новой Англии, района, примерно размером с Сан-Франциско [2.80].

Круговая диаграмма генерирующих гидроэнергетических мощностей  представлена  на рис.2.60 [2.75].

Рис.2.60.Круговая диаграмма генерируемых мощностей в области гидроэнергетики,2011.

 Приведём  10 стран мира, которые вырабатывают энергию, причиняя наименьший вред окружающей среде (гидроэнергетика, атомная, термальная, ветровая, солнечная энергетика).
Лидерами в получении экологически чистой энергии являются следующие страны:

1. 80,6%, Исландия — 12661 тысяч тонн условного топлива (т.у.т.)*, обеспечивающих энергией 300000 человек.
2. 46,2%, Швеция — 23295 тысяч т.у.т. для 4,3 млн. человек.
3. 45,6%, Франция — 120255 тысяч т.у.т. для 28500 тысяч человек.
4. 43,2%, Норвегия — 11603 тысяч т.у.т. для 2,1 млн. человек.
5. 40,9%, Швейцария — 10519 тысяч т.у.т. для 3,1 млн. человек.
6. 35%, Коста-Рики — 1669 тысяч т.у.т. для 1,6 млн. человек.
 

7. 25,9%, Новой Зеландии — 4344 тысяч т.у.т. для 1,1 млн. человек.
8. 24,9%, Словакия — 823 тысяч т.у.т. для 1,3 млн. человек.
9. 22,2%, Бельгия — 12659 тысяч т.у.т. для 2,4 млн. человек.
10. 20,9%, Канада — 56298 тысяч т.у.т. для 7,1 млн. человек.

* тонна условного топлива (т. у. т.) — единица измерения энергии, равная 2,93×1010 Дж; определяется как количество энергии, выделяющееся при сгорании 1 тонны топлива с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (соответствует типичной теплотворной способности каменного угля).

10 стран мира с "чистой энергетикой" представлены на рис.2.61)[ 2.81].

Рис.2.61. Топ10 стран мира с "чистой энергетикой".   

 Приведенные ниже диаграммы рис.2.62-2.64 иллюстрируют    состояние производства  по странам мира.     

Рис.2.62. Производство электроэнергии,млрд.  кВтч.

Рис.2.63. Количество вырабатываемой ГЭС энергии, в % от общего количества.

        В таблице 2.18 представлены сведения по состоянию гидроэнергетики 10 стран  мира.[ 2.82,2.83].

Таблица 2.18. Состояние гидроэнергетики по странам  мира (топ10) 

 

               А  графики производства электроэнергии по годам  для 5 стран приведен в на рис.2.64.

Рис.2.64.График зависимости производства электроэнергии по годам(1980-2015) 5 ведущих стран.

            Отслеживанием и анализом статистических данных в области гидроэнергетики в мире и отдельных странах  эффективно осуществляется И.А Даниловым [ 2.84].Подробные сведения о работах этого автора  по вопросам производства и потребленияПроизводства и потребления электроэнергии - по данным ООН (UNSD -  United Nations Statistics Division) за период с 1992 по 2014 гг.  можно найти соответственно: производство -  http://www.eeseaec.org/contact-us/obsie-obemnye-tehniko-ekonomiceskie-pokazateli/proizvodstvo-elektroenergii-v-regionah-i-stranah-mira; потребление -    http://www.eeseaec.org/contact-us/obsie-obemnye-tehniko-ekonomiceskie-pokazateli/potreblenie-elektroenergii-v-regionah-i-stranah-mira

          В частности, на рис.2.65 приведен график производства гидроэлектроэнергии США за период 1949- 2015 гг.

 

Рис.2.65. Производство гидроэлектроэнергии США  за период по  2015 год.

   Динамика производства гидроэлектроэнергии США за длительный период времени приведена на рис.2.66 [2.84]

 

Рис.2.66. Производство   гидроэлектроэнегии  США по 2015-й год.Изменение в  процентном отношении.

              Сведения по Германии в области гидроэнергетики приведены на рис.2.67,2.68[2.85 ].

Рис.2.67.Динамика изменения видов энергии Германии,2016.

Рис.2.68.Зависимость потребления энергии по видам в  абсолютных цифрах.

В настоящее время на территории России работают 102 гидроэлектростанции мощностью свыше 100 МВт. Общая установленная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России составляет примерно 46 ГВт (5 место в мире). В 2011 году российскими гидроэлектростанциями выработано 153 млрд. кВт.ч. электроэнергии. В общем объёме производства электроэнергии в России доля ГЭС в 2011 году составила 15,2%.[ 2.86]

 

 Рис.2.69. Гидроэнергетика России.Производство и потребление [2.87].

 

 Доля ВИЭ в мировом потреблении первичной энергии по годам (по сценарию AIP). 

Источник: Европейский Совет по возобновляемой энергетике. Renewable Energy World. July – August 2004

Рис.2.70.Прогноз долей потребления источников энергии,2000-2040.

 В целом по России. Установленная мощность электростанции – это сумма паспортных мощностей всех генераторов электростанции, которая может меняться в процессе реконструкции действующих генераторов или установки нового оборудования.

 На начало 2015 года установленная мощность Единой энергосистемы (ЕЭС) России составляла 232.45 тыс. МВт.[2.88].

Рис.2.71. Общая структура электростанций России по  состоянию на 2015 год .

На 1 января 2015 года установленная мощность российских электростанций увеличилась на 5 981 МВт по сравнению с 1 января 2014 года. Рост составил 2.6%, а достигнуто это было за счет введения новых мощностей производительностью 7 296 МВт и увеличения мощности действующего оборудования на 411 МВт. При этом были выведены из эксплуатации генераторы мощностью 1 726 МВт. В целом по отрасли по сравнению с 2010 годом рост производственных мощностей составил 8.9%.(см.рис.2.72) [ 2.88]

 Рис.2.72. Мощность электростанций России,2015

  По итогам 2014 года в Российской Федерации было произведено 1 025 млрд. КВтч электроэнергии. По этому показателю Россия занимает 4 место в мире, уступая Китаю в 5 раз, а Соединенным Штатам Америки в 4 раза.

 Место, занимаемое Россией, хорошо просматривается в общем мировом  производстве электроэнергии (см.рис.2.73) [ 2.88].

Рис.2.73. Производство электроэнергии в мире.

   По сравнению с 2013 годом, выработка электроэнергии в Российской Федерации увеличилась на 0.1%. А в отношении к 2009 году рост составил 6.6%, что в количественном выражении составляет 67 млрд. КВтч.

  Потребление электроэнергии в России в 2014 году составило 1 014 млрд. КВтч. Таким образом, сальдовый остаток составил (+ 11 млрд. КВтч). А наибольшим потребителем электроэнергии по итогам 2014 года в мире является Китай – 4 600 млрд. КВтч, второе место занимают США – 3 820 млрд. КВтч.

   По сравнению с 2013 годом потребление электроэнергии в России выросло на 4 млрд. КВтч. Но в целом, динамика потребления за последние 4 года остается примерно на одном и том же уровне. Разница между потреблением электроэнергии за 2010 и 2014 год составляет 2.5%, в пользу последнего.

              Сведения о потреблении электроэнергии в РФ приведены на рис.2.74[ 2.88].

 

Рис.2.74. Потребление эдектроэнергии в России на 2015 год.  

  Стоимость 1 КВтч электроэнергии, по итогам 2014 года в России, в 3 раза ниже европейских цен. Среднегодовой европейский показатель составляет 8.4 российских рубля, в то время, как в Российской Федерации средняя стоимость 1 КВтч – 2.7 руб. Лидером по стоимости электроэнергии является Дания – 17.2 рубля за 1 КВтч, второе место занимает Германия – 16.9 рублей. Такие дорогие тарифы связаны в первую очередь с тем, что правительство этих стран отказались от использования атомных электростанций в пользу альтернативных источников энергии.  

 Если сопоставить стоимость 1 КВтч и среднюю зарплату, то среди европейских стран больше всего в месяц киловатт/час могут купить жители Норвегии – 23 969, второе место занимает Люксембург – 17 945 КВтч, третье Нидерланды – 15 154 КВтч. Среднестатистический россиянин может купить в месяц 9 674 КВтч.(рис.2.75).

Рис.2.75. Средняя стоимость 1КВтч электроэнергии для населения в  ряде стран  мира.

Примечание: приведенные сведения носят весьма условный характер,ибо рубль не является свободно конверируемой валютой и многое зависит от конкретного курса его конвертации в в каждой конкретно взятой стране в крнкретный период времени.

Другое дело-сравнительный  анади потребления в  кВт.ч.,о чём будет сказано ниже. [ 2.89а].

Потребление электроэнергии в России в 2014 году составило 1 014 млрд. КВтч. Таким образом, сальдовый остаток составил (+ 11 млрд. КВтч). А наибольшим потребителем электроэнергии по итогам 2014 года в мире является Китай – 4 600 млрд. КВтч, второе место занимают США – 3 820 млрд. КВтч.

  По сравнению с 2013 годом потребление электроэнергии в России выросло на 4 млрд. КВтч.  В  целом,  динамика потребления за последние 4 года остается примерно на одном и том же уровне. Разница между потреблением электроэнергии за 2010 и 2014 год составляет 2.5% в пользу последнего.

 Один из вариантов прогноза развития гидроэнергетики в России  приведен на рис.2.76[ 2.89].

          

 Рис.2.76. Гидроэнергетика Росиии.Прогноз.

В настоящее время в России разработана программа развития крупной гидроэнергетики на ближайшие 10-15 лет, которую инициирует федеральная гидрогенерирующая компания ОАО «ГидроОГК» (сейчас ОАО «РусГидро»). Проект программы предполагает, что в 2010 году мощность ГЭС может увеличиться на 4,2 - 4,5 млн. кВт, к 2015 году еще на 9,5 млн. кВт, а к 2020 году - еще на 19 млн. кВт.

    За этот период должны быть достроены ранее начатые строительством ГЭС, а также ряд крупных ГЭС в Сибири и на Дальнем Востоке, ряд ГАЭС в Европейской России. Только такие темпы позволят обеспечить примерно такую же, как сейчас долю гидрогенерации в общем объеме производства электроэнергии в России.

 Интересна динамика душевого потребления электроэнергии по ряду стран мира,приведенная  на рис.2.77. Изменение за 10 лет в каждой из них весьма малое [ 2.89а].

Рис.2.77.Динамика душевого  потребления энергии по странам мира.

В таблице 2.19 приведен список гидроэлектростанций России мощностью свыше 1000 Мвт.,а установленная мощность ряда гидроустановок-в табл.2.20.

Таблица 2.19.Гидроэлектростанции свыше 1000 МВт

Таблица 2.20.Установленная электрическая мощность электростанций и гидроустановок "РусГидро" (по состоянию на 01.02.2017)