На волне интереса к возобновляемым источникам энергии в мире то тут, то там возводятся плотины гидроэлектростанций. некоторые из них поражают воображение своей грандиозностью. Но, отдавая должное смелым инженерным решениям, следует помнить, что удерживаемые плотинами огромные массы воды таят в себе страшную разрушительную мощь

Строго говоря, строительство плотин и дамб не обязательно имеет отношение к гидроэнергетике. Московские плотины просто поднимают уровень некогда почти обмелевшей реки, а, например, Краснодарское водохранилище на реке Кубань создано для нужд ирригации. Но все же подавляющее большинство крупных гидросооружений в России связано с энергетической отраслью. Со времен утверждения в 1921 году IX Всероссийским съездом Советов плана ГОЭЛРО наша страна активно использует энергию малых и великих рек.

Коварное дно

Если не вдаваться в подробности классификации, плотины электростанций делятся в основном на гравитационные и арочные. Гравитационная плотина - как правило, имеющая треугольное поперечное сечение - строится из грунта, камня или бетонных блоков. Из самого термина «гравитационная» видно, что такая плотина удерживает массу воды за счет своей тяжести, - течение реки не в силах сдвинуть эту громадину с места, и вода начинает подниматься. Арочные плотины используются в горной местности. За счет своей формы (по сути это фрагмент купола, выгнутого в сторону напирающей воды) такая плотина передает нагрузку на борта каньона. Арочная плотина сложнее в строительстве, но экономичнее в смысле расхода материалов. При высоте 100 м гравитационная плотина должна иметь основание шириной 70-80 м, а у арочной плотины такой же высоты ширина основания составит всего около 5 м. Есть также плотины смешанного гравитационно-арочного типа (пример - плотина крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС) и контрфорсного типа.
Чтобы плотина выполняла свою задачу и не преподносила неприятных сюрпризов, требуется тщательное геологическое исследование створов реки в месте, где предполагается строительство ГЭС. История знает случаи, когда плотину ставили на дно, в котором находились карстовые полости. После наполнения водохранилища вода просачивалась в эти полости, а затем находила выход в нижнем бьефе. Водохранилище начинало сливаться, и, чтобы не допустить этого, в карстовые пустоты пришлось закачивать бетон, объем которого был примерно равен объему самой плотины.
Идеальным для строительства плотины является скальное дно, менее предпочтительна скользкая глинистая почва. В последнем случае при недостаточном весе плотины она может просто «уехать» по течению.

Вода дырочку найдет

Плотина ГЭС - структурно сложное сооружение. В ее состав входят глухие плотины - через гребень которых вода не переливается (или, во всяком случае, не должна переливаться); станционные плотины, через которые вода из водохранилища поступает в камеры с турбинами, вращающими валы электрогенераторов; и водосливные плотины, через которые сбрасывается вода для регулирования уровня воды в верхнем бьефе (в водохранилище).
Система водосброса - один из ключевых элементов гидроузла. Уровень воды в перекрытой плотиной реке может значительно колебаться в зависимости от времени года и климатических факторов, таких как таяние снега и льда в верховьях или ливневые дожди. Неконтролируемый сброс воды из верхнего бьефа может привести к разрушению всей конструкции.
Пожалуй, большинство драматических событий, связанных с разрушением плотин, вызвано именно переполнением верхнего бьефа из-за попадания туда большого количества талых или ливневых вод. Последний подобный случай произошел в марте этого года в Индонезии, когда построенная еще голландскими колониальными властями в 1933 году дамба не выдержала натиска тропических ливней. Вырвавшаяся на свободу вода стала причиной гибели около ста человек. Одна из самых масштабных аварий на гидротехнических сооружениях произошла в США в 1976 году. Сначала в земляной дамбе, перекрывавшей реку Тетон (штат Айдахо), появилась небольшая течь. Поначалу на нее не обратили особого внимания, затем, когда течь стала заметнее, ее попытались ликвидировать с помощью строительной техники. В конце концов бульдозеры пришлось бросить, чтобы спасти человеческие жизни. Прорвав наконец земляную плотину, вода размыла ее за считаные минуты.

Хищные моря

Водохранилища - пожалуй, главная «ахиллесова пята» гидроэнергетики. И именно вокруг них ведутся непрекращающиеся дискуссии между энергетиками и экологами. Очевидно, что появившиеся в результате строительства гидроузлов искусственные «моря» нельзя считать лишь неизбежным злом. Водохранилища имеют большое значение для организации судоходства и рыбопромысла, служат резервуарами питьевой воды и выполняют рекреационную функцию (как, например, каскад водохранилищ водораздельного бьефа канала им. Москвы). Часто они помогают решить проблемы паводковых наводнений в районах, лежащих ниже по течению перекрытой реки. Однако цена этому - превращение суши в дно, серьезные перемены в экологической ситуации и даже изменения климата. Нередко затапливаются леса и анаэробное гниение на отмелях больших масс растительной органики приводит к выбросу в атмосферу метана - одного из «парниковых газов». Этот факт несколько портит имидж гидроэнергетики как альтернативы сжиганию ископаемого топлива.

Дитя первых пятилеток - гигантское Рыбинское водохранилище - поглотило, как известно, огромную издревле населенную территорию в самом центре Европейской России. «Море» заполнило собой Молго-Шекснинскую низменность, образовавшуюся в результате таяния ледника. Под водой оказались сотни сел и целый город Молога, церкви, монастыри, кладбища и даже три сотни жителей, не пожелавших покинуть свою «малую родину». «Лес рубят - щепки летят» - таков был один из основополагающих принципов сталинской политики. В более гуманные времена, при строительстве других водохранилищ Волжского каскада, рукотворным морям уже не давали разливаться бесконтрольно, отдавая их береговую линию на откуп рельефу. Однако единственный способ остановить разлив воды - обваловка, то есть сооружение по установленным границам водохранилища земляных дамб. На практике это означает, что находящиеся рядом с дамбой дома, дороги или промышленные объекты оказываются ниже уровня водоема и обеспечение их безопасности становится отдельной проблемой. Речь идет не только о поддержании дамб в исправном техническом состоянии, но и об ограждении этих гидросооружений от, так сказать, человеческого фактора. Сейчас вдоль дамб некоторых водохранилищ Волжского каскада ведется милицейское патрулирование и возводятся заборы.

Плотина и вечность

Нельзя забывать и еще об одной проблеме, связанной с появлением водохранилищ. Под давлением огромной массы влага просачивается в окружающий грунт, поднимая уровень грунтовых вод. Иногда этим можно воспользоваться: например, в районах, где регулярно пересыхают колодцы, запруживание местной речки поможет их наполнить. Однако, когда речь идет о макромасштабах, подъем грунтовых вод приводит к заболачиванию обширных территорий и другим малоприятным последствиям. В частности, одним из аргументов экологов, выступающих против строительства Эвенкийской ГЭС на реке Нижняя Тунгуска, является вероятная инфильтрация воды в полости, оставшиеся от проводившихся в этом районе подземных ядерных взрывов. В этом случае может возникнуть опасность попадания радиоактивных материалов в Нижнюю Тунгуску и Енисей. Создание водохранилищ также может привести к затоплению подземных коммуникаций, подвалов зданий и шахт на прилегающей территории. Разумеется, при проектировании гидроузлов подобные побочные эффекты стараются просчитывать, однако действие водной стихии не может быть предсказуемым на все 100%.

У крупных гидросоружений есть одна уникальная особенность. В отличие от шахты или карьера, их нельзя забросить, отдать на произвол сил природы. Либо плотину надо вечно поддерживать в рабочем состоянии (что практически вряд ли выполнимо), либо по истечении определенного срока гидроузел должен быть демонтирован, а водохранилище слито или превращено в замкнутый водоем. Только так можно избежать катастрофических последствий стихийного разрушения. В этом, кстати, просматриваются общие черты атомной энергетики и гидроэнергетики. Стоимость вывода из эксплуатации АЭС сравнима с затратами на ее постройку. То же самое касается и гидроэлектростанций. Сооруженные в СССР плотины ГЭС рассчитаны на работу в течение ста лет. С одной стороны, век - это немало, но с другой - некоторые гидроэлектростанции, например Жигулевская ГЭС на Волге, уже выработали около половины срока, а то и больше. Таким образом, вопрос о том, что делать с отработавшими свое гидросооружениями и во сколько обойдется их демонтаж или капитальная реконструкция, встанет уже перед ныне живущими поколениями.
Очевидно, что работа с огромными массами воды требует грамотных инженерных решений, технологической дисциплины и ответственности. К счастью, у нас в России - в стране, где ГЭС вносят огромный вклад в энергетическое хозяйство, - есть и технологии, и высококлассные специалисты, способные развивать гидроэнергетику на принципах эффективности, экологичности и безопасности.

Как и любой другой способ производства энергии, применение малых и мини-ГЭС имеет как преимущества, так и недостатки.

Среди экономических, экологических и социальных преимуществ объектов малой гидроэнергетики можно назвать следующие. Их создание повышает энергетическую безопасность региона, обеспечивает независимость от поставщиков топлива, находящихся в других регионах, экономит дефицитное органическое топливо. Сооружение подобного энергетического объекта не требует крупных капиталовложений, большого количества энергоемких строительных материалов и значительных трудозатрат, относительно быстро окупается. Необходимо отметить, что реконструкция выведенной ранее из эксплуатации малой ГЭС обойдется в 1,5- 2 раза дешевле. Объекты малой энергетики не требуют организации больших водохранилищ с соответствующим затоплением территории и колоссальным материальным ущербом.

Кроме того, есть возможности для снижения себестоимости возведения за счет унификации и сертификации оборудования. Современные станции просты в конструкции и полностью автоматизированы, т.е. не требуют присутствия человека при эксплуатации. Вырабатываемый ими электрический ток соответствует требованиям ГОСТа по частоте и напряжению, причем станции могут работать как в автономном режиме, т.е. вне электросети энергосистемы региона, так и в составе этой электросети. А полный ресурс работы станции - не менее 40 лет (не менее 5 лет до капитального ремонта).

Одним из основных достоинств объектов малой гидроэнергетики является экологическая безопасность. В процессе их сооружения и последующей эксплуатации вредных воздействий на свойства и качество воды нет. Водоемы можно использовать и для рыбохозяйственной деятельности, и как источники водоснабжения населения. В процессе выработки электроэнергии ГЭС не производит парниковых газов и не загрязняет окружающую среду продуктами горения и токсичными отходами, что соответствует требованиям Киотского протокола. Подобные объекты не являются причиной наведенной сейсмичности и сравнительно безопасны при естественном возникновении землетрясений. Они не оказывают отрицательного воздействия на образ жизни населения, на животный мир и местные микроклиматические условия.

Значительным преимуществом также является отсутствие нарушения природного ландшафта и окружающей среды в процессе строительства и на этапе эксплуатации, а также практически полная независимость от погодных условий. Обеспечивается подача потребителю дешевой электроэнергии в любое время года. ??????????????? ????????????? ???????

Кроме того, турбины мини-ГЭС можно также использовать в качестве гасителей энергии на перепадах высот питьевых и других трубопроводов, предназначенных для перекачки различных видов жидких продуктов.

Возможные проблемы, связанные с созданием и использованием объектов малой гидроэнергетики, менее выражены, но о них также следует сказать.

Как любой локализованный источник энергии, в случае изолированного применения, объект малой гидроэнергетики уязвим с точки зрения выхода из строя, в результате чего потребители остаются без энергоснабжения (решением проблемы является создание совместных или резервных генерирующих мощностей -- ветроагрегата, когенерирующей мини-котельной на биотопливе, фотоэлектрической установки и т.д.).

Наиболее распространенный вид аварий на объектах малой гидроэнергетики -- разрушение плотины и гидроагрегатов в результате перелива через гребень плотины при неожиданном подъеме уровня воды и несрабатывании запорных устройств. В некоторых случаях МГЭС способствуют заиливанию водохранилищ и оказывают влияние на руслоформирующие процессы.

Существует определенная сезонность в выработке электроэнергии (заметные спады в зимний и летний период), приводящая к тому, что в некоторых регионах малая гидроэнергетика рассматривается как резервная (дублирующая) генерирующая мощность.

Среди факторов, тормозящих развитие малой гидроэнергетики, большинство экспертов называют неполную информированность потенциальных пользователей о преимуществах применения небольших гидроэнергетических объектов; недостаточную изученность гидрологического режима и объемов стока малых водотоков; низкое качество действующих методик, рекомендаций и СНиПов, что является причиной серьезных ошибок в расчетах; неразработанность методик оценки и прогнозирования возможного воздействия на окружающую среду и хозяйственную деятельность; слабую производственную и ремонтную базу предприятий, производящих гидроэнергетическое оборудование для МГЭС, а массовое строительство объектов малой гидроэнергетики возможно лишь в случае серийного производства оборудования, отказа от индивидуального проектирования и качественно нового подхода к надежности и стоимости оборудования -- по сравнению со старыми объектами, выведенными из эксплуатации.

Источники энергии

Источниками энергии для малой гидроэнергетики являются:

* небольшие реки, ручьи,

* естественные перепады высот на озерных водосбросах и на оросительных каналах ирригационных систем,

* технологические водотоки (промышленные и канализационные сбросы),

* перепады высот питьевых трубопроводов, систем водоподготовки и других трубопроводов, предназначенных для перекачки различных видов жидких продуктов.

Легко. 1. ТЭС. Тепловые Энерго (электро) Станции. Базируются на переработке (сжигании) твердых топливных носителей, таких, как например уголь. Плюсы: 1. Большой объем выработки электроэнергии. 2. Наиболее просты в эксплуатации. 3. Сам принцип работы и постройка их очень просты. 4. Дешевы, легкодоступны. 5. Дают рабочие места. Минусы: 1. Дают меньше электроэнергии, чем ГЭС и АЭС 2. Экологически опасны - загрязнение окружающей среды, парниковый эффект, требуют потребления невозобновляемых ресурсов (как уголь). 3. В силу своего примитивизма являются просто морально устаревшими. ГЭС - Гидро Электро Станция. Базируются на использовании водных ресурсов, реки, приливно-отливные циклы. Плюсы: 1. Относительно экологически безопасны. 2. Дают в разы больше электроэнергии, чем ТЭС. 3. Могут давать дополнительные подпроизведственные структуры. 4. Рабочие места. 5. Более просты в эксплуатации, чем АЭС. . Минусы: 1. Опять же, экологическая безопасность относительна (взрыв плотины, загрязнение воды при отсутствии очистительного цикла, нарушение баланса). 2. Большие затраты на строительство. 3. Дают меньше энергии, чем АЭС. АЭС - Атомные Электростанции. Самые совершенные на данный момент ЭС по уровню мощности. Используют урановые стержни изотопа урана -278 и энергию атомной реакции. Плюсы: 1. Относительно малое потребление ресурсов. Самый главный - уран. 2. Мощнейшие по выработке электроэнергии ЭС. Одна ЭС может обеспечивать целые города и мегаполисы, ближлежащие районы, вообщем, охватывают огромные территории. 3. Более современны, чем ТЭС. 4. Дают большое количство рабочих место. 5. Открывают пути к созданию более совершенных ЭС. Минусы: 1. Постоянное загрязнение окружающей среды. Смог, радиация. 2. Потребление редких ресурсов - уран. 3. Использование воды, загрязнение ее. 4. Вероятная угроза экологической суперкатастрофы. При потере контроля за ядерными реакциями, нарушениями цикла охлаждения (ярчайший пример обоих ошибок - Чернобыль; АЭС до сих пор закрыта саркофагом, самая страшная экологическая катастрофа в истории человечества) ,внешнем в воздействии (землетрясение, прмер - Фукусима), военной атаке или подрыве террористами - весьма вероятна (или - почти стопроцентна) экологическая катастрофа, а также весьма вероятна угроза взрыва АЭС, - это взрыв, ударная волна, и самое главное, радиоактивное заражение обширной территории, отзвуки такой катастрофы могут поразить весь мир. Потому АЭС является наравне с ОМП (Оружием Массового Поражения) одним из самых опасных достижений человечества, хотя АЭС - это Мирный атом. Впервые АЭС была создана в СССР. Энергетику необходимо развивать отнюдь не только в направлении использования возонбновляемых ресурсов, а еще также развивать более совершенные типы ЭС, которые будут принципиально новыми по своей основе и типу работы. Гипотетически, в скором времени начнется освоения космоса, также проникновение в другие тайны микромира и вообще, физики могут дать поразительные результаты. Доведение до максимального совершенства АЭС - также перспективный путь развития энергетики. На данном этапе конечно же, наиболее вероятным и реализуемым является вариант развития ветрогонных комплексов, солнечных батарей и ДОВЕДЕНИЕ до максимального совершенства ГЭС и АЭС.

В последнее время, в качестве альтернативы классическим средне-высоконапорным плотинным ГЭС активно предлагаются низконапорные гидроузлы, работающие на естественном стоке, довольно широко распространенные в Западной Европе. Попробуем разобраться, что это ГЭС и каковы их плюсы и минусы.

Пример низконапорной русловой гидроэлектростанции — ГЭС Iffezheim на Рейне, введена в эксплуатацию в 1978 году. Фото отсюда

Концепция низконапорного руслового гидроузла предусматривает создание на равнинной реке ГЭС с напором в несколько метров, чье водохранилище как правило укладывается в зону естественного затопления поймы при сильных паводках. Такие гидроузлы имеют следующие преимущества:
* Небольшая площадь затопления, в которую как правило не попадают (или почти не попадают) застроенные земли. Следовательно, никого переселять не надо, влияние на экосистемы куда менее значительно.
* В низконапорные плотины гораздо проще интегрировать рыбоходы, да и вниз через турбины рыба проходит с меньшим травматизмом.

Саратовская ГЭС — самая низконапорная в Волжско-Камском каскаде.

Теперь перейдем к недостаткам:
* Такие ГЭС образуют небольшие водохранилища, пригодные в лучшем случае для суточного регулирования стока, а то и вовсе работающие на водотоке. В результате, выработка подобных ГЭС сильно зависит от сезона и погодных условий — в маловодные периоды она резко падает.
* Эффективность использования стока такими ГЭС гораздо меньше, чем классическими — не имея возможности аккумулировать сток в половодье и паводки, они вынуждены сбрасывать массу воды вхолостую.
* Не имея емкого водохранилища, такие гидроузлы не могут бороться с наводнениями.
* С точки зрения судоходства сооружение нескольких низконапорных гидроузлов вместо одного большого приводит к увеличению времени на шлюзование — вместо одного шлюза нужно проходить несколько.
* Низконапорные ГЭС умеют существенно большую удельную стоимость (в расчете на кВт мощности и кВт.ч. вырабатываемой электроэнергии). Чем меньше напор, тем больше габариты и соответственно металлоемкость оборудования, невозможность аккумулирования стока в водохранилище приводит к необходимости создания более мощных водопропускных сооружений, несколько шлюзов дороже, чем один и т.п. Для сравнения, можно привести низконапорную Полоцкую ГЭС в Белоруссии и высоконапорную Богучанскую ГЭС. Первая стоит примерно 4500$ за кВт, вторая — около 1000$ за кВт. Разница, как мы видим — в 4,5 раза.

ГЭС Тукуруи в Бразилии. В амазонской сельве, как и в сибирской тайге, более эффективны большие ГЭС.

Подведем итоги. Преимущества низконапорных ГЭС наиболее существенны в густонаселенных районах, где высокая стоимость земли и большое количество работ по переселению людей, выносу сооружений и инфраструктуры делают крупные ГЭС с большими водохранилищами неприемлемыми. Именно поэтому низконапорные ГЭС получили наибольшее распространение в Европе, где плотность населения высока, а собственных энергоресурсов мало, что вынуждает использовать весь доступный гидропотенциал, пусть и дорогими способами.
В то же время, в относительно малонаселенных регионах очевидны преимущества больших ГЭС — собственно, в основном там их и строят сейчас во всем мире (хотя критерии малонаселенности в разных странах существенно различаются, для Китая с его миллиардным населением переселение нескольких десятков тысяч человек вполне приемлемо).

Низконапорные русловые ГЭС не конкурируют со средне- и высоконапорными — у каждого типа гидроэлектростанций своя «экологическая ниша», в которой они наиболее эффективны. И ссылки на русловые ГЭС в Западной Европе при обсуждении гидроэнергетических проектов в Восточной Сибири являются сравнением несравнимого.