Гидроэнергетика

П отенциальная мощность всех учитываемых водотоков Беларуси составляет 850 тыс.кВт, более 50% мощности приходится на средние и малые реки, Экономически целесообразным представляется реализация 30% потенциала гидроресурсов (255 тыс.кВт).

Термин "гидроэнергетика" определяет область энергетики, использующей энергию движущейся воды, как правило, рек. Эта энергия преобразуется или в механическую, или, чаще всего, в электрическую.

На реках перед гидроэлектростанциями (ГЭС) строятся плотины, формируются водохранилища, с помощью которых регулируется постоянный напор и расход воды. Гидроэлектростанции и их оборудование используются очень долго, турбины, например, – около 50 лет. Это объясняется условиями их эксплуатации: равномерный режим работы при отсутствии экстремальных температурных и других нагрузок. Вследствие этого стоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии низка (примерно 4 цента США за 1 кВт· ч) и многие из них работают с высоким экономическим эффектом. Например, Норвегия производит 90 % электроэнергии на ГЭС. Вырабатываемую ГЭС энергию очень легко регулировать, что важно при ее использовании в энергосистемах с большими колебаниями нагрузки.

Энергетическая программа Республики Беларусь в качестве основных направлений развития малой гидроэнергетики в республике предусматривает:

• восстановление ранее существовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем кап. ремонта;
• сооружение новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;
• сооружение малых ГЭС на промышленных водосбросах;
• сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.

Как правило, все восстанавливаемые и вновь сооружаемые малые ГЭС будут работать параллельно с энергосистемой, что позволит значительно упростить схемные и конструктивные решения.

Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести до 100 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 120 тысяч тонн условного топлива в год.

Одним из высокоприоритетных белорусских национальных проектов в Мировой солнечной программе на 1996–2005 гг. является создание каскада из четырех ГЭС общей мощностью 132 МВт на реке Западная Двина с обеспечением специальных мер по минимизации затопления.

Аналогичный проект разработан и для реки Неман со строительством ГЭС в районе г. Гродно и д. Немново с общей установленной мощностью каскада 45 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 180 млн. кВт·ч. Этот проект требует около 40 млн. долларов США капитальных вложений.

Основные принципы использования энергии воды

Основным рабочим органом гидроэнергетической установки, непосредственно преобразующим энергию движущейся воды в кинетическую энергию своего вращения, является гидротурбина. Коэффициент полезного действия гидротурбины составляет до 90%.

Гидротурбины бывают двух типов:

• активные гидротурбины, рабочее колесо которых вращается в воздухе натекающим на его лопасти потоком воды (рис. 29, а).
• реактивные гидротурбины, рабочее колесо которых полностью погружено в воду и вращается в основном за счет разности давлений перед и за колесом (см. рис. 29, б),

В активной гидротурбине водный поток перед турбиной с помощью водовода и сопла формируется в струю, которая направляется на ковши, расположенные на ободе колеса, приводя его во вращение. Величина КПД реальных турбин колеблется от 50 % для небольших агрегатов до 90 % для больших энергоустановок.

Конструкция рабочего колеса реактивной гидротурбины такова, что поток воды воздействует на все лопасти турбины одновременно и практически постоянно. Наиболее компактной конструкцией реактивной гидротурбины является пропеллерная с преимущественно осевым направлением потока в рабочем колесе. Направляющий аппарат на входе турбины несколько закручивает поступающий на рабочее колесо поток, увеличивая тем самым КПД турбины.

Гидроэнергетика в мире

Гидроэнергетика обеспечивает производство до 88 % возобновляемой и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 777 ГВт.

Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке — 98 %), Канаде и Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях.

Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай.

На 2008 год крупнейшими производителями гидроэнергии (включая переработку на ГАЭС) в абсолютных значениях являются следующие страны:

Преимущества

1) использование возобновляемой энергии.

2) очень дешевая электроэнергия.

3) работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.

4) быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки

1) затопление пахотных земель

2) строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды

3) на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов

4) сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ приводят к перестройке экосистем.

Сегодня в Беларуси находится в эксплуатации 41 малая ГЭС суммарной мощностью 14,5 МВт. Из них в составе белорусской энергосистемы эксплуатируется 21 гидроэлектростанция общей установленной мощностью 9,3 МВт.

2. ТОПливно-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

2.1. Возобновляемые и невозобновляемые энергетические ресурсы

Рис.1. Классификация природных ресурсов

Органическое топливо состоит из горючих веществ, негорючих минеральных примесей и влаги.

Древесное топливо представляет собой в основном клетчатку (С₆Н₁₀О₅), образующую стенки клеток, и межклеточное вещество со сложной молекулярной структурой – лигнин. Содержание в древесине клетчатки достигает 50–70 %, лигнина 20–30 %, остальное – воски, смолы, жирные кислоты.

Ископаемое топливо:

1) Уголь.

2) Горючие сланцы. Они представляют собой минеральные породы, пропитанные органическими веществами.

3) Н ефть – смесь жидких углеводородов различных молекулярных весов и групп.

4) Природный газ состоит в основном из метана (95–98 % СН₄).

Уголь.

Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 14000 млрд.т, из которых половина относится к достоверным (Азия - 63%, Америка - 27%). Наибольшими запасами угля располагают США и Россия. Значительные запасы имеются в ФРГ, Англии, Китае, на Украине и в Казахстане.

Среднее содержание различных элементов в каменном угле:

углерод – 84 %;

кислород – 8 %;

водород – 5 %;

сера – 2%;

азот – 1 %.

Рис.3. Примерный химический состав каменного угля

Уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода.

В среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO₂ и позволяет получить 6,67 кВт·ч энергии или, при КПД 30 % — 2,0 кВт·ч электричества. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети. Использование угля увеличивается в периоды высоких цен на нефть и другие энергоносители.

Образование угля

Орг. остатки (разложение без доступа кислорода) – торф – бурый уголь (давление) – каменный уголь (давление) – антрацит.

Возраст самых древних углей оценивается примерно в 300—400 миллионов лет.

В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа:

бурые угли (65-70 % углерода)

каменные угли (75-95 % углерода)

антрациты (95 % углерода)