1.3. Современный этап развития гидроэнергетики (с середины XX в.)

Ускорение социально-экономического развития общества во второй половине XX века потребовало быстрого увеличения как производства электроэнергии, так и использования водных ресурсов. Энергетика, являясь основным движущим фактором развития экономики и повышения благосостояния населения, характеризуется наиболее высокими темпами роста. При этом резко возросло значение гидроэнергетики – наиболее эффективного из возобновляемых источников энергии, являющейся также основой комплексного использования водных ресурсов.

Современный этап развития гидроэнергетики характеризуется широким строительством крупных ГЭС с водохранилищами комплексного назначения во многих странах мира, значительным увеличением использования гидроэнергетических и водных ресурсов, что связано с необходимостью удовлетворения резко возросших потребностей в электроэнергии и воде быстро развивающихся городов, промышленности и сельского хозяйства, а также защиты от наводнений. Кроме того, в условиях повышения доли электроэнергии, вырабатываемой крупными базисными ТЭС и АЭС, гидроэлектростанции являются их оптимальным дополнением в качестве маневренных мощностей. Производство электроэнергии в мире с 1950 по 2000 г. увеличилось в 14 раз, достигнув 14100 млрд. кВт·ч, в том числе использование гидроэнергетических ресурсов увеличилось в 8 раз, достигнув 2650 млрд.кВт·ч., что составляет около 19% общего производства электроэнергии. Общее потребление водных ресурсов в мире в этот период увеличилось более чем в 5 раз, достигнув 6000 км 3.

Высокий уровень использования возобновляемых гидроэнергетических ресурсов в развитых странах обусловлен преимуществами ГЭС.

В связи с вводом в объединенных энергосистемах крупных базовых ТЭС и АЭС резко возросла роль в обеспечении надежного электроснабжения высокоманевренных ГЭС и ГАЭС, покрывающих пиковую часть графика нагрузок и выполняющих функции аварийного и нагрузочного резервов энергосистемы. Это привело также к широкому строительству ГАЭС в мире, мощность которых к 2000 г. достигла 125 млн. кВт, в том числе в Японии – 24 млн. кВт, в США – 18,9 млн. кВт, в Италии – 6,9 млн. кВт, во Франции – 5,9 млн. кВт, в Германии – 5,7 млн. кВт. Самые крупные эксплуатируемые ГАЭС: в США Бас Каунтри – мощностью 2,1 млн. кВт, Корнуол (I и II) – 2,2 млн. кВт, Ладингтон – 2,06 млн. кВт; в Англии Динорвик – 1,8 млн. кВт, во Франции Гранд Мезон – 1,8 млн. кВт. Введены в эксплуатацию первые агрегаты на самых крупных строящихся ГАЭС Kannagawa (2,82 млн. кВт) – в Японии, Huizhou (2,4 млн. кВт) – в Китае, Днестровской (2,28 млн. кВт) в Украине.

Большой накопленный опыт, успехи в методах проектирования и расчета, совершенствование конструкций плотин и технологии их возведения, обеспечив повышение надежности и экономичности плотин, открыли новые возможности широкого использования гидроэнергетических ресурсов, позволили строить ГЭС с высокими плотинами и большими водохранилищами в разнообразных природных условиях, включая сложные инженерно-геологические условия, высокую сейсмичность.

В этот период в различных природных условиях строятся ГЭС с плотинами разных типов, высота которых увеличивается, достигая 200–300 м. Среди мировых «рекордсменов» гравитационная плотина Гранд Диксанс (Швейцария) высотой 262 м, арочно-гравитационные Глен Каньон (США) – 216 м и Саяно-Шушенская (Россия) – 245 м, арочные плотины Вайонт (Италия) – 262 м и Ингурская (Грузия) – 272 м, многоарочная Даниэль Джонсон (Канада) – 215 м, каменно-земляная Нурекская (Таджикистан) – 300 м. В Китае строится арочная плотина Xiaowan высотой 292 м.

Таблица 1.1. Мощнейшие гидроэлектростанции мира

ГЭС	Страна	Год введения в строй	Мощность, млн. кВт	Емкость водохранилища, десятков км3
Куйбышевская Братская Красноярская Саяно-Шушенская	Россия	1955 1961 1967 1981	2,30 4,50 6,00 6,40	58,0 169,3 73,3 29,1
Токтогульская	Киргизстан	1978	1,25	19,5
Нурекская	Таджикистан	1980	2,70	10,5
Bhakra	Индия	1963	1,05	9,6
Tarbela	Пакистан	1976	3,05	13,7
Ataturk	Турция	1990	2,40	48,7
Longyangxia Ertran Три ущелья	Китай	1989 1999 2009	1,30 3,30 18,20	27,4 5,8 39,3
Хаобинь	Вьетнам	1992	1,92	9,4
Iroguois Bennett Daniel Johnson Churchill Falls La Grange	Канада	1958 1967 1968 1971 1978	1,90 2,40 1,30 5,40 5,30	29,9 70,3 141,8 32,6 61,7
Glan Canyon	США	1966	1,00	27,0
El Chocon Xacyreta	Аргентина	1973 1998	1,20 3,10	20,2 21,0
Liha Solteira Tucurui Xingo Serra da Mesa	Бразилия	1973 1984 1996	3,20 4,00 5,08 1,29	21,2 45,8 3,8 54,4
Itaipy	Бразилия, Парагвай	1982	12,60	29,0
Vacyreta	Парагвай	1997	2,70	21,0
Guri (Raul Leoni)	Венесуэла	1986	10,30	138,0
Chicoasen (Manuel)	Мексика		2,40	1,6
Aswan High	Египет	1970	1,80	168,9
Cabora Bassa	Мозамбик	1974	2,40	63,0

Во многих странах мощность ГЭС достигла миллионов киловатт, емкость водохранилищ – десятков км 3 (табл. 1.1).

Каскады ГЭС с крупными водохранилищами комплексного назначения образуют водохозяйственные комплексы, участниками которых являются энергетика, коммунальнобытовое, промышленное, сельско-хозяйственное водоснабжение, орошение, водный транспорт, рыбное хозяйство, рекреация. Они также обеспечивают защиту природной и социальной среды от наводнений, гарантированные санитарно-экологические попуски. При этом на основе создаваемой инфраструктуры, энергетических и водных ресурсов резко ускорилось экономическое развитие многих ранее отсталых или удаленных регионов, были созданы мощные территориально-производственные комплексы.

ГЭС Даниэль Джонсон (Канада)

Однако создание водохранилищ, являясь активным вторжением в сложившиеся экологические условия, оказывая значительное влияние на них, может привести к отрицательным последствиям для окружающей природной среды и условий жизни населения. Многие отрицательные последствия при создании водохранилищ (особенно в 50-70-е гг. XX в.) имеют исторические корни, обусловленные известными трудностями социально-экономического и политического развития общества, а также недооценкой влияния техногенного воздействия на окружающую природную и социальную среду, недостаточностью природоохранных и компенсационных мероприятий, нарушением режимов эксплуатации. Кроме того, оценки влияния водохранилищ на окружающую среду во многих случаях носили поверхностный ограниченный характер.

В последние десятилетия XX в. проблемы влияния ГЭС и водохранилищ на окружающую среду стали предметом глубокого изучения, важнейшее значение приобретают комплексные работы по изучению и прогнозированию последствий их создания. Практически во всех странах законодательные акты, государственная политика особое внимание уделяют защите окружающей среды, обязательной является экспертиза влияния объекта на окружающую среду, выводы которой становятся определяющим фактором при принятии решения о строительстве ГЭС. Практика многолетней эксплуатации многих ГЭС с крупными водохранилищами комплексного назначения, где в полном объеме были выполнены природоохранные и компенсационные мероприятия, показала возможность минимизации отрицательных последствий и сохранения экологического равновесия.

Широкомасштабное строительство ГЭС с водохранилищами комплексного назначения сыграло важную роль в экономическом развитии многих стран, в повышении благосостояния людей, улучшении качества жизни населения, особенно в развивающихся странах, за счет увеличения потребления электроэнергии, обеспечения питьевой водой, расширения орошаемых площадей, защиты от наводнений и др.

К 2000 г. в мире при выработке ГЭС 2650 млрд.кВт·ч было освоено около трети экономически эффективного гидроэнергетического потенциала, причем развитые страны использовали его более чем на 70%, а многие страны Западной Европы (Франция, Швейцария, Италия) использовали экономически эффективный потенциал на 95–98%, Япония – на 90%, США – на 82%, Канада – на 65%, интенсивное гидроэнергетическое строительство ведется в Азии, особенно в Китае, Индии, в Южной Америке и Африке. В 1992 году в Китае начались работы по строительству мощнейшей в мире ГЭС «Три ущелья».

Огромный накопленный опыт послужит дальнейшему развитию гидроэнергетики в XXI в.

К 2008 г. в мире мощность ГЭС достигла 887 млн.кВт, а выработка – 3050 млрд.кВт·ч, в Китае мощность ГЭС составила 171 млн.кВт, выработка – 684 млрд.кВт·ч, и он вышел на первое место в мире, в США соответственно – 78,2 млн.кВт и 270 млрд.кВт·ч, в Канаде – 72,7 млн.кВт и 350 млрд.кВт·ч.

В СССР, как и во всем мире, этот этап характеризуется широким гидроэнергетическим строительством. В период 1946–1958 гг. были завершены восстановление и реконструкция разрушенных во время войны ГЭС и построен ряд крупных ГЭС с водохранилищами комплексного использования, преимущественно в европейской части страны, на многоводных равнинных реках – Волге, Днепре, Каме, Дону, Днестре и др. Несмотря на огромные разрушения, коллектив Днепростроя в 1947 г. восстановил плотину Днепрогэса и ввел в эксплуатацию три гидроагрегата, а в 1950 г. ГЭС достигла мощности 650 МВт. Были также восстановлены и реконструированы Нижнесвирская, Кегумская и другие ГЭС.

В 1952 г. был построен водохозяйственный комплекс в составе Цимлянского гидроузла с ГЭС на р. Дон, Волго-Донского судоходного канала длиной 101 км с 13 шлюзами.

Развернулись работы по строительству крупнейших ГЭС Волжского каскада – Куйбышевской (Волжской) ГЭС мощностью 2300 МВт, введенной в эксплуатацию в 1958 г. (в то время самой крупной в мире), Волгоградской ГЭС мощностью 2541 МВт, введенной в строй в 1961 г. Эти ГЭС с водохранилищами комплексного назначения сыграли существенную роль в создании Единой энергосистемы европейской части СССР, в обеспечении орошения до 5 млн. га засушливых земель, защите от наводнений, решении проблем водного транспорта.

В 1956 г. была введена в эксплуатацию Каховская ГЭС – нижняя ступень Днепровского каскада мощностью 351 МВт с водохранилищем комплексного назначения, обеспечивающим орошение земель юга Украины. Из водохранилища Каховской ГЭС вода подается в Южно-Украинский и СевероКрымский каналы, которые строились одновременно с этой ГЭС. В эти годы начато строительство Кременчугской ГЭС и Днепродзержинской ГЭС. В Молдавии вводится в строй Дубоссарская ГЭС на Днестре мощностью 48 МВт. Проекты этих крупных ГЭС были разработаны институтом «Укргидроэнергопроект».

Красноярская ГЭС – первая гидроэлектростанция на реке Енисей

Работы по строительству мощнейшей в мире ГЭС «Три ущелья» (Китай) начались в 1992 году

Ведется строительство ГЭС в Армении, Грузии, на Северном Кавказе. В северо-западном районе страны завершено создание каскадов ГЭС на реках Свири и Ниве.

В Средней Азии построена Кайраккумская ГЭС мощностью 120 МВт на р. Сырдарье, что повысило водообеспечение орошаемых земель Голодной степи, в Казахстане – Усть-Каменогорская мощностью 331 МВт на Иртыше, в Сибири – Новосибирская (455 МВт) на Оби и Иркутская (662 МВт) на Ангаре.

Ведется также широкое строительство небольших ГЭС для электроснабжения сельскохозяйственных районов.

В 1958 г. мощность ГЭС достигла 10,9 млн. кВт, а выработка увеличилась с 4,8 млрд.кВт·ч в 1945 г. до 46,5 млрд.кВт·ч, что составило 19,7% общего производства электроэнергии.

Период 1959–1980 гг. характеризуется строительством крупных ГЭС с перемещением центра гидроэнергетического строительства в районы Сибири, Средней Азии, где сосредоточено 80% гидроэнергоресурсов и благоприятные природные условия для строительства высоконапорных высокоэффективныхГЭС.

Важнейшее значение в освоении гидроэнергетических ресурсов крупнейших рек Сибири имело строительство Братской ГЭС на р. Ангаре (1961 г.) мощностью 4500 МВт с единичной мощностью гидроагрегатов 250 МВт. Строительство Братской ГЭС с бетонной гравитационной плотиной высотой 120 м в суровых условиях Сибири явилось выдающимся достижением. Опыт ее строительства и технология выполнения бетонных работ были использованы при строительстве других ГЭС в Сибири. Братская ГЭС стала основой формирования Объединенной энергосистемы Сибири, а также Братско-Усть-Илимского территориальнопроизводственного комплекса, в состав которого вошла позднее Усть-Илимская ГЭС мощностью 4.3 млн. кВт, введенная в эксплуатацию в 1975 г.

В 1967 г. построена Красноярская ГЭС на Енисее мощностью 6000 МВт при единичной мощности агрегатов 500 МВт. В состав гидроузла вошла бетонная плотина высотой 124 м и длиной 1100 м.

Токтогульская ГЭС

В этот период была построена самая северная в стране Усть-Хантайская ГЭС на притоке Енисея р. Хантайке мощностью 440 МВт, в Восточной Сибири – первая очередь Вилюйской ГЭС на р. Вилюй в Якутии мощностью 650 МВт и др.

На Дальнем Востоке в 1978 г. введена в эксплуатацию Зейская ГЭС на р. Зее мощностью 1330 МВт с массивно-контрфорсной плотиной высотой 123 м, водохранилище которой также снижает угрозу наводнений в бассейне р. Амур.

В Средней Азии на реках Амударье, Сырдарье и их притоках строятся ГЭС с крупными водохранилищами, позволяющими оросить большие массивы плодородных земель. На р. Сырдарье была построена Чардаринская ГЭС мощностью 100 МВт, на р. Вахш – Головная мощностью 210 МВт, Нурекская – 2700 МВт (1980 г.) с самой высокой в мире каменно-земляной плотиной высотой 300 м, на р. Чирчик – Чарвакская ГЭС мощностью 600 МВт.

В Киргизии в 1978 г. была введена в строй Токтогульская ГЭС на р. Нарын мощностью 1200 МВт с бетонной гравитационной плотиной высотой 215 м, построенной в крайне сложных природных условиях при необычайно высокой сейсмичности (расчетная сейсмичность более 10 баллов по 12-балльной шкале).

В Южном Казахстане были построены на р. Или Капчагайская ГЭС мощностью 434 МВт, а также комплекс сооружений канала Иртыш–Караганда с расчетным расходом 75 м 3 /с, обеспечивший водоснабжение и орошение земель в Центральном Казахстане.

Саяно-Шушенская ГЭС – мощнейшая ГЭС России

В состав сооружений Саяно-Шушенская ГЭС входят:

• бетонная арочно-гравитационная плотина высотой 244 м, длиной 1066 м, с шириной основания – 110 м, шириной по гребню 25 м. Плотина включает левобережную глухую часть длиной 246,1 м, станционную часть длиной 331,8 м, водосливную часть длиной 189,6 м и правобережную глухую часть длиной 298,5 м;
• приплотинное здание ГЭС;
• береговой водосброс.

В здании ГЭС размещено 10 радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по 640 МВт, работающих при расчетном напоре 194 м. Максимальный статический напор на плотину – 220 м.

Мощность ГЭС – 6400 МВт, среднегодовая выработка 23,5 млрд. кВт·ч. В 2006 году из-за крупного летнего паводка электростанция выработала 26,8 млрд. кВт·ч электроэнергии.

Вид на Каховское водохранилище

На Волжском каскаде вводится в эксплуатацию Саратовская ГЭС мощностью 1360 МВт, на Каме – Воткинская ГЭС (1020 МВт).

На Днепровском каскаде по проектам, разработанным институтом «Укргидропроект», вводятся в строй Кременчугская ГЭС мощностью 686 МВт, Днепродзержинская – 352 МВт, Киевская – 361 МВт, где впервые были применены горизонтальные капсульные агрегаты, и первая в стране Киевская ГАЭС мощностью 224 МВт, Каневская ГЭС мощностью 444 МВт, на Днепровской ГЭС строится второе здание ГЭС – Днепрогэс-II мощностью 888 МВт и второй судоходный шлюз.

В Литве на р. Неман построена Каунасская ГЭС мощностью 100 МВт, в Латвии на Даугавском каскаде – Плявинская ГЭС мощностью 825 МВт и Рижская ГЭС мощностью 384 МВт. На Кольском полуострове и в Карелии построены Борисоглебская ГЭС на р. Паз, Верхнетуломская на р. Туломе мощностью 248 МВт и др.

В Армении было завершено создание Севано-Разданского каскада ГЭС, что позволило также увеличить площадь орошаемых земель, построена высоконапорная (напор 576 м) Татевская ГЭС на р. Воротане мощностью 157 МВт. В Грузии введены в эксплуатацию Гуматские ГЭС на р. Риони, Храмская ГЭС 2 мощностью 110 МВт, Ладжанурская ГЭС – 112 МВт (1980 г.), Ингурская ГЭС мощностью 1600 МВт с самой высокой в мире арочной плотиной высотой 272 м. На Северном Кавказе в 1978 г. построена Чиркейская ГЭС на р. Сулак мощностью 1000 МВт с арочной плотиной высотой 232,5 м (см. стр. 36).

В 1975 г. мощность ГЭС составила 40,5 млн. кВт, а выработка электроэнергии – 126 млрд. кВт·ч.

В период до 1990 г. на Волжско-Камском каскаде были введены в строй Нижнекамская ГЭС мощностью 1205 МВт и Чебоксарская ГЭС мощностью 1370 МВт, а на Днестре Днестровская ГЭС мощностью 702 МВт, построенная по проекту Укргидропроекта.

В этот период большая часть мощностей ГЭС вводится в действие в Сибири: на СаяноШушенской ГЭС на Енисее мощностью 6400 МВт с арочно-гравитационной плотиной высотой 244 м, вторая очередь Вилюйской ГЭС с увеличением мощности до 650 МВт, Колымская ГЭС – 720 МВт, Курейская ГЭС – 600 МВт.

Начато строительство Богучанской ГЭС на Ангаре мощностью 3000 МВт, Усть-Среднеканской на Колыме мощностью 550 МВт, на Дальнем Востоке Бурейской и Нижнебурейской ГЭС на р. Бурее суммарной мощностью 2300 МВт, строительство которых в связи с экономическим спадом не было завершено.

На Северном Кавказе были введены в эксплуатацию Миатлинская ГЭС на р. Сулак мощностью 220 МВт, Зеленчукские ГЭС на р. Кубани суммарной мощностью 550 МВт, высоконапорная Зарамагская ГЭС на р. Ардон мощностью 370 МВт, начато строительство Ирганайской ГЭС на р. Аварское Кайсу мощностью 800 МВт (первый агрегат был введен в строй в 1992 г.).

Чиркейская ГЭС. Вид с нижнего бьефа

Днестровская ГЭС. Вид с нижнего бьефа

В Средней Азии началось строительство Рагунской ГЭС на р. Вахш мощностью 3600 МВт с плотиной, аналогичной Нурекской, высотой 335 м, которое затем было остановлено.

В этот период в связи с повышением в объединенной энергосистеме европейской части страны удельного веса крупных ТЭС и АЭС началось строительство ГАЭС.

В Литве построена Круонисская (Кайшядорская) ГАЭС на р. Неман мощностью 1600 МВт, в России в Московской области на р. Кунье – Загорская ГАЭС мощностью 1200 МВт (первый агрегат был введен в строй в 1987 г., а в 2002 г. ГАЭС достигла проектной мощности).

Рис. 1.2. Рост установленной мощности и выработки электроэнергии на ГЭС в СССР

В Украине по проектам Укргидропроекта, который к настоящему времени стал одной из ведущих международных фирм, специализирующейся в инжиниринговых услугах по проектированию гидроэнергетических и водо-хозяйственных объектов, строятся Ташлыкская ГАЭС на р. Южный Буг мощностью 900 МВт в составе Южно-Украинского энергокомплекса, куда также входит ЮжноУкраинская АЭС мощностью 3000 МВт, крупнейшая в Европе Днестровская ГАЭС на Днестре мощностью 2268 МВт.

В 1990 г. мощность ГЭС достигла 65 млн. кВт, а выработка 233 млрд. кВ·ч и СССР вышел по установленной мощности ГЭС на второе место в мире после США, а по выработке электроэнергии на ГЭС – на третье место в мире после Канады и США. Рост мощности и выработки электроэнергии на ГЭС в СССР показан на рис. 1.2.

После распада СССР в странах СНГ в период до 2000 г. в условиях затянувшегося экономического спада, структурных изменений в экономике, инвестиционного кризиса резко снизились капиталовложения и соответственно темпы строительства ГЭС и ГАЭС, а строительство ряда объектов было законсервировано.

Так, в России за этот период на ГЭС было введено в эксплуатацию около 600 МВт новых мощностей, с 2001 г. ведутся работы по достройке и вводу Бурейской, Богучанской, Усть-Среднеканской и ряда других ГЭС, строительство которых было начато до 1991 г. В Украине в 1996–2002 гг. была выполнена первая очередь реконструкции ГЭС Днепровского каскада, введена в строй Днестровская ГЭС-2 мощностью

41 МВт на Днестре. В 2007 г. введены в эксплуатацию два агрегата Ташлыкской ГАЭС общей мощностью 302 МВт, а в 2009 г. первый агрегат Днестровской ГАЭС мощностью 324 МВт, осуществляется вторая очередь реконструкции ГЭС Днепровского каскада.

На строительстве Бурейской ГЭС (Амурская область, Россия, 2004 г.)