Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Доступність енергії і надійність енергопостачання у сучасному світі є основою розвитку економіки, покращення якості життя людей.

У першій книзі «Від вогню та води до електрики» даного видання «Енергетика: історія, сучасність і майбутнє» дається уявлення про еволюцію Землі, історію використання людиною вогню, освоєння енергії річок, вітру з найдавніших часів до епохи електрики, висвітлено початок використання сонячної енергії та її потенціал, відкриття та використання основних видів викопних енергетичних ресурсів (вугілля, нафти, газу, урану).

У другій книзі «Пізнання та досвід – шлях до сучасної енергетики» наведено історію розвитку вчення про теплоту і використання теплової енергії, досліджень і відкриттів основних законів електрики, створення перших гідроі теплоелектростанцій та систем передачі електроенергії, досліджень і використання ядерної енергії, створення перших атомних електростанцій.

У даній третій книзі «Розвиток теплоенергетики та гідроенергетики» наводяться історія, сучасний стан і перспективи розвитку теплоенергетики і гідроенергетики, основи теорії теплових електростанцій, їх основні типи, типи котлів, парових і газових турбін, етапи розвитку гідроенергетики, основні типи, умови експлуатації й режими роботи ГЕС і ГАЕС, склад їх технологічного обладнання.

Досягнення у розвитку вчення про теплоту і електрику, використанні теплової та гідроенергії, становленні електротехніки, створенні турбін, генераторів дозволили наприкінці ХІХ століття побудувати перші промислові електростанції, здійснити передачу електроенергії на значні відстані.

Ми, котрі живемо у ХХІ столітті, де електроенергія є основою життєдіяльності суспільства, завжди будемо пам’ятати великих вчених різних країн – М.В. Ломоносова (1711–1765), Е. Маріотта (1620–1684), Ж. ГейЛюссака (1778–1850), С. Карно (1796–1832), Г. Гельмгольца (1821–1894), Ю. Майєра (1814–1878), Р. Клаузіуса (1822–1888), Р. Бойля (1627–1691), Д. Джоуля (1818–1889), У. Томсона (1824–1907), Б. Румфорда (1753–1814), Д. Гіббса (1839–1903), У. Гільберта (1544–1603), О. Геріке (1602–1686), С. Грея (1666–1735), Ш. Дюфе (1698–1739), Б. Франкліна (1706–1790), Ш. Кулона (1736–1806), Л. Гальвані (1737–1798), А. Вольта (1745– 1827), Г. Ома (1787–1854), Г. Кірхгофа (1824–1887), Г. Герца (1857–1894), Г. Ерстеда (1777–1851), А. Ампера (1775–1836), М. Фарадея (1791–1867), Д. Максвелла (1831–1879), Е. Ленца (1804–1865) та багато інших, генієм яких були розроблені фундаментальні основи теплотехніки і електротехніки; великих інженерів та винахідників Г. Лаваля, Ч. Парсонса, Ч. Кертіса, О.Рато, Г. Целі, братів Піксії, В. Сіменса, Т. Грамма, И. Фонтена, Т. Едісона, М. Доліво-Добровольського, Н. Теслу та багато інших, якими були створені турбіни, генератори та побудовані перші промислові електростанції.

Перша у світі велика теплова електростанція була введена в дію у 1882 р. у Нью-Йорку, перша промислова ГЕС – в м. Лауфен у Німеччині, а на кінець ХІХ століття були створені необхідні умови, що забезпечили наступ ери сучасної електроенергетики.

Електроенергетика й електрифікація, що бурно розвивались з початку ХХ століття, зіграли визначальну роль у розвитку економіки, у різкому підвищенні ефективності промисловості, розвитку міст, економнішому й ефективнішому витрачанні природних ресурсів. Частка електроенергетики у структурі споживання енергії різко збільшилась, досягнувши на кінець ХХ століття 40% у розвинутих країнах, які входять в Організацію економічного співробітництва й розвитку (ОЕСР). Виробництво електроенергії у світі з 1950 по 2000 рр. збільшилось у 14 разів й перевищило 15 трлн. кВт·год (при потужності електростанцій 3,58 млрд. кВт), із яких на ТЕС і ТЕЦ припадає більше 64%, а на ГЕС – біля 19%.

Впродовж ХХ століття удосконалювались технології виробництва електроенергії та обладнання, зростали потужності енергоблоків на ТЕС, досягнувши більше 1 млн. кВт.

Удосконалення і розвиток у ХХ столітті парових, газових, гідравлічних турбін, парогазових технологій пов’язані з іменами А. Стодоли, К. Гольцварта, Яндрассика, В.М. Маковського, М.Є. Жуковського, Б.С. Стечкіна, А.М. Люльки, О.Г. Івченко, Л.М. Ложкіна та багатьох інших.

Парові турбіни, що мали на початку ХХ століття потужність до 10 МВт, досягли на початку ХХІ століття потужності більше 1 млн. кВт, початкових параметрів пари – до 30 МПа, температури – до 600°С та к.п.д. до 45%.

При розвитку стаціонарних енергетичних ГТУ з 50-х років ХХ століття широко використовувались видатні досягнення авіаційного газотурбобудування. Розпочавши з потужностей до 10 МВт, початкової температури газу 800°С та к.п.д. 26%, у сучасних ГТУ досягнуті потужності до 300 МВт, температури до 1500°С і к.п.д. до 39%, а при проміжному охолодженні повітря – к.п.д. до 45%.

Потужним стимулом подальшого розвитку ГТУ стало зростаюче застосування у теплоенергетиці парогазових технологій. Потужності блоків сучасних ПГУ збільшились до 600 МВт, к.п.д. – до 58%.

Широкого розвитку, особливо у другій половині ХХ століття, досягло централізоване теплопостачання у СРСР, країнах Північної Європи. Основними напрямками підвищення ефективності теплофікації стало використання комбінованого виробництва теплоти й електроенергії, а також парогазового циклу.

Сучасна теплоенергетика, яка є найважливішим фактором розвитку суспільства, одночасно виступає одним із основних забруднювачів навколишнього середовища, що справляє глобальний негативний вплив на екологію, на зміну клімату. Так, на частку ТЕС припадає біля 30% антропогенних викидів парникових газів.

Для переборення екологічної кризи у теплоенергетиці мають відбутись якісні зміни. Найважливішими проблемами перспективного розвитку теплової енергетики стають подальше технічне удосконалення, перехід на принципово нові технології, що забезпечать підвищення економічної та енергетичної ефективності, надійності й екологічної чистоти виробництва електричної енергії з мінімізацією викидів у навколишнє середовище до екологічного безпечного рівня. Впровадження гібридних установок, що розробляються і являють собою поєднання паливних елементів та ПГУ, може дозволити у перспективі досягти к.п.д. 75%, а при використанні когенераційних технологій з виробництвом також теплоти – до 85% та більше. У теплофікації подальший розвиток одержать когенераційні технології.

ХХ століття характеризується швидким розвитком гідроенергетики, що використовує відновлювальні гідроенергетичні ресурси і одночасно комплексно вирішує проблеми водопостачання, зрошення, захисту від повеней, рекреації та ін.

На рівні 2000 року в світі освоєно біля 32% економічно ефективного гідроенергетичного потенціалу і на ГЕС вироблено 2650, а у 2008 р. – 3350 млрд. кВт·год (на 26% більше), максимальна висота гребель збільшилась до 300 м, корисна ємкість великих водоймищ складає десятки км3, а ГЕС «Три ущелини» у Китаї досягла потужності 18,2 млн. кВт. У багатьох випадках ГЕС та їх каскади стали ядром великих водогосподарських й територіально-виробничих комплексів, які забезпечують зростання економіки й покращення соціальних умов у слаборозвинутих країнах. Планується подальше широке використання гідроенергетичних ресурсів, а також будівництво гідроакумулюючих електростанцій (ГАЕС), які відіграють важливу роль у енергосистемах, забезпечуючи регулювання добових графіків навантажень, заповнюючи нічні провали й покриваючи пікову частину графіка, виконуючи резервні функції.