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

Історія енергетики, шлях розвитку останньої аж до сучасного й майбутнього станів надзвичайно цікаві і важливі для розуміння її значення в розвитку цивілізації.

Французький філософ Огюст Кон писав, що «не можна по-справжньому опанувати будь-якою науковою дисципліною, не знаючи історії її розвитку».

Починаючи з найдавніших часів енергія була найважливішим чинником, що визначав життя людини й розвиток цивілізації. Історія енергетики від часів, коли людина оволоділа вогнем, енергією річок, вітру, й до теперішнього часу відображає постійний пошук, великі відкриття, накопичення й передачу від покоління до покоління знань, найважливіших досягнень в області пізнання законів природи.

У виданні «Енергетика: історія, сучасність і майбутнє» у першій книзі «Від вогню та води до електрики», яка є вступною, дається уявлення про еволюцію Землі, розгорнута картина історії освоєння й використання людиною енергії з найдавніших часів до епохи електроенергетики. Розповідається історія відкриттів та використання основних видів викопних енергетичних ресурсів, у тому числі і в Україні, наведено дані щодо запасів та властивостей палив. Наведено великий фактичний матеріал, важливий енергетикам й спеціалістам суміжних галузей. Ця книга підводить читача до сприйняття матеріалу інших книг, присвячених розвитку, стану й перспективах електроенергетики у всіх її аспектах.

Наведемо основні терміни, пов’язані з енергетикою, які вживаються в цій книзі.

Енергія – загальна кількісна міра різних форм руху матерії. Розрізняють енергію механічну, теплову, сонячну, електричну, гідравлічну, ядерну (атомну), хімічну й ін. Оскільки частина енергії завжди може бути перетворена в роботу, енергію можна розглядати як здатність виконувати роботу.

Енергетика – паливно-енергетичний комплекс, галузь народного господарства, що охоплює енергетичні ресурси, виробництво, перетворення, передачу і використання різних видів енергії.

Енергетичні ресурси – природні джерела енергії, які можна перетворити в енергію різних видів. У тому числі:

Відновлювальні ресурси – такі, запаси яких постійно відтворюються (гідроенергоресурси, енергія Сонця, вітру, припливів, геотермальна й ін.).

Невідновлювальні ресурси – такі, запаси яких не мають джерел поповнення і зменшуються з їх споживанням (вугілля, нафта, природний газ, горючі сланці й ін.).

Енергетика розподіляється за видами енергії на електроенергетику, теплоенергетику, гідроенергетику, вітроенергетику, атомну енергетику і т.д.

Електроенергетика – провідна галузь енергетики, що забезпечує електрифікацію народного господарства.

Теплоенергетика – галузь енергетики, що займається перетворенням теплоти в інші види енергії, головним чином в електричну і механічну.

Гідроенергетика – галузь енергетики, що займається перетворенням гідравлічної енергії, головним чином в електричну.

Вітроенергетика – галузь енергетики, пов’язана з розробкою методів і засобів для перетворення енергії вітру в механічну та електричну енергію.

Оточуюче середовище – сукупність природних, техногенних і соціальних умов існування людського суспільства.

Весь розвиток цивілізації, її технічні досягнення пов’язані з комплексним використанням вогню – від древньої металургії і виробництва кераміки, від парових машин до електро-, теплоі атомної енергетики з використанням високих і надвисоких температур.

Вогонь як джерело тепла послабив залежність людини від зовнішнього середовища, зробив її набагато сильнішою, дозволив заощаджувати сили і розвиватися розумово. Вогонь був божеством і реальністю, що змушувала міркувати про його природу.

Давньогрецький філософ Геракліт (кінець VI – початок V ст. до н.е.) називає вогонь основою світу і сміливо заявляє, що «це космос, один і той же для всього існуючого, його не створив ніякий бог і ніяка людина, але завжди він був, є і буде вічно живим вогнем, який мірою займається і мірою згасає».

Людина отримала постійний доступ до величезного моря енергії. Однак оволодіння енергією, як і розвиток цивілізації, проходить повільно і з великою працею, боротьба за енергію продовжується і буде продовжуватися завжди, поки існує людина.

Сонце – джерело переважної більшості видів енергії, яка використовується людиною: гідравлічної та вітряної, енергії, що нагромадилася у викопних природних ресурсах, у деревині, біомасі та ін. Сонце з найдавніших часів шанувалося людиною як божество, що дає життя і силу всьому сущому.

У результаті наукових досягнень ХХ ст. сформувалися уявлення про будову Землі та глобальні процеси, що відбуваються в її надрах і в космосі.

Багато сотень мільйонів років на Землі відбуваються процеси енергетичного обміну, перетворення і нагромадження різних форм енергії. Викопні природні ресурси, що ховають законсервовані запаси енергії у вигляді покладів вугілля, торфу, нафти й ін., – результат життєдіяльності організмів, так само як грунт – результат їх взаємодії з гірськими породами. Уся біосфера, життя існує завдяки сонячній енергії, що має першорядне значення в біохімічних процесах, які відбуваються на земній поверхні.

Сонце, вітер і вода, за рахунок енергії яких відбуваються екзогенні процеси, що змінюють вигляд Землі, є відновлювальними енергетичними ресурсами, котрі людиною використовувалися з давніх часів, використовуються зараз і будуть, безсумнівно, усе більш широко використовуватися в майбутньому.

Опанувавши вогонь і продовжуючи пошук нових джерел енергії в навколишньому світі, людина звернулася до енергії текучої води і вітру.

Під дією сонячної енергії в природі безупинно йде круговорот води. Випаровуючись з поверхні, водяні пари переносяться повітряними течіями, потім конденсуються і осідають у вигляді опадів, утворюючи ріки. Під дією нерівномірного сонячного випромінювання на земну поверхню в приземних шарах атмосфери виникають перепади температур і градієнти атмосферного тиску, що спричиняють рух повітря – вітер.

У всі часи вода була найважливішим фактором, який визначав життя людей. Водосховища для зрошення, водопостачання будувались в Єгипті, Месопотамії, Індії, Китаї та інших країнах за 4000–3500 років до н.е.

Для піднімання води в зрошувальні канали застосовувались водяні колеса (перші найпростіші гідравлічні двигуни), що перетворювали енергію води в механічну енергію. Вже у Давній Греції й Римі водяні колеса використовувались у водяних млинах, для водопостачання та ін.

В Європі водяні млини почали розповсюдження вже у III–IV ст. Вдосконалювались конструкції водяних коліс й передаточних механізмів, які дозволяли використовувати енергію води для виконання різних робіт: обертання станків, піднімання руди із шахт, відкачування води та ін.

Як і водяні колеса, вітряні колеса, що використовували енергію вітру, застосовувались за тисячі років до н.е. У Персії, Єгипті, Китаї їх використовували для піднімання води й помолу зерна.

У ХІІ ст. вітряні млини почали також розповсюджуватись і в Європі. Хоч вітряні млини простіші водяних, основним їх недоліком був непостійний режим роботи, який залежав від швидкості вітру.

У Х IV ст. вітряні млини стали широко застосовуватись у Голландії, де перетворились в основне джерело енергії, зіграли важливу роль в осушенні територій, які лежали нижче рівня моря. Надалі вони також застосовувались як привід на різних виробництвах. Саме розвиток вітроенергетики став важливим фактором у розвитку економіки цієї країни.

У середньовіччі основним енергетичним джерелом була вода. У ХVІІ–ХІХ ст. в епоху переходу від ремісничого до промислового виробництва швидко зростаючі потреби в механічній енергії забезпечуються в основному за рахунок водяних коліс. У промислових районах Західної Європи, Росії, США будується велика кількість водоймищ, водяні колеса стають усе більш могутніми і досконалими, застосовуються в усіх видах виробництва на заводах, рудниках.

У ХVІІІ–ХІХ ст. у багатьох країнах, особливо в Європі, Росії і США, поширилися також вітряні млини.

Винахід парового двигуна наприкінці ХVІІІ ст. знизив використання водяних коліс у виробництві. Промислові підприємства з паровими машинами могли розміщуватися в будь-якому місці, а не тільки біля рік. Людина одержала необмежене джерело енергії, перетворюючи в механічну енергію теплоту, яка запасена в деревині, вугіллі, торфі.

Довгим і складним був шлях від найпростішого водяного колеса до гідравлічної турбіни, яка має значні переваги, включаючи компактність, швидкохідність, високий к.к.д. і велику потужність.

Найважливішу роль в удосконаленні водяних двигунів, створенні гідравлічних турбін зіграли наукові дослідження багатьох поколінь вчених у галузі гідравліки і теорії гідравлічних двигунів: давньогрецького мислителя Арістотеля (384–322 до н.е.), одного з найвизначніших представників епохи Відродження Леонардо да Вінчі (1452–1519), членів Петербурзької академії наук швейцарських вчених Д. Бернуллі (1700–1782) й Л. Ейлера (1707–1783) і багатьох інших.

Починаючи з першої гідравлічної турбіни, побудованої в 1750 р. угорським вченим Я. Сегнером, створюються й застосовуються на практиці різні типи турбін: у 1827 р. французьким інженером Б. Фурнероном – радіально відцентрова реактивна, у 1837–1841 роках французьким інженером Жонвалем і німецьким Хентелем – осьова реактивна, у 1880 р. – ковшова активна Пельтона, у 1912 р. – поворотно-лопатева реактивна В. Каплана й ін.

Найважливіше значення у вирішенні проблем вітроенергетики й удосконалюванні вітродвигунів мали наукові дослідження великого російського вченого М.В. Ломоносова (1711–1765), праці М.Є. Жуковського (1847–1921), С.О. Чаплигіна (1869–1942), Л. Прандтля (1875–1953) Теодора фон Кармана (1881–1963), Ю.В. Кондратюка (1897–1942) і багатьох інших вчених.

У результаті до останньої чверті ХІХ ст. були забезпечені необхідні умови для розвитку електроенергетики: створені ефективні парові та гідравлічні турбіни; розроблені електричні генератори змінного струму; здійснена на практиці передача електроенергії на значну відстань.

Починаючи з першої в світі промислової ГЕС потужністю 220 кВт, побудованої в 1891 р. у Німеччині в Лауфені під керівництвом російського інженера М.О. Доліво-Добровольського, у ХХ ст. почалося широке використання гідроенергетичних ресурсів і до початку ХХІ ст. потужність усіх ГЕС досягла 670 млн. кВт. Поступово збільшувалося використання енергії вітру і до початку ХХІ ст. потужність вітроенергетичних установок у світі склала більше 18 млн. кВт.

Однак велика кількість електроенергії і понині виробляється тепловими електростанціями, для яких паливом є викопні енергетичні ресурси. Головний їх недолік полягає в тому, що ці ресурси в природі не відновлюються, а їх широкомасштабне використання призводить до забруднення навколишнього середовища, істотно впливаючи на сталий баланс біосфери.

Тому вкрай важливо знати природу, властивості, склад, умови залягання, можливість використання, виявлені запаси і витрати найбільш розповсюджених викопних природних ресурсів: вугілля, нафти, природного газу, горючих сланців, торфу.

Кам’яне вугілля, нафта і газ відомі людині з давніх часів. Вугілля почали широко використовувати в епоху промислової революції. Різко зросло його споживання в ХХ ст., склавши до початку ХХІ ст. біля 4,7 млрд. т. Світові розвідані промислові запаси вугілля станом на 2000 рік, за існуючими оцінками, складають 983 млрд. т. За станом на початок 2003 року світові розвідані запаси нафти оцінюються в 165 млрд. т, а світові розвідані запаси природного газу оцінюються в 155 трлн. м3. Видобуток нафти в світі у 2002 році склав 3,5 млрд. т, газу – 2,5 трлн. м3.

ХХ ст. можна назвати століттям нафти і природного газу за їх значенням для паливно-енергетичного комплексу й у цілому для економіки більшості країн. І в ХХІ ст. вони будуть грати найважливішу роль у розвитку світової економіки. При цьому енергетичний напрямок використання нафти і газу залишається головним.

У книзі розглянуто розвиток енергетики до початку ери електроенергетики на рубежі ХХ ст.

Технологічний розвиток нашої цивілізації в ХХ ст., який мав швидкий, майже вибуховий характер, зажадав різкого нарощування виробництва енергії і використання невідновлювальних викопних ресурсів. З початку ХХ ст. за сто років споживання паливно-енергетичних ресурсів зросло у 30 разів.

До початку ХХІ ст. із загального виробництва первинної енергії у світі, що складає 8 млрд. т нафтового еквіваленту (т н.е.), 85% базувалося на викопних ресурсах (вугіллі, нафті, природному газі й ін.).

Електроенергетика, яка є основним рушійним фактором розвитку економіки і підвищення якості життя людей, характеризується найбільш високими темпами росту, причому протягом ХХ ст. частка електроенергії в структурі використання енергії постійно збільшувалася і досягла 40% у розвинених країнах.

Так, виробництво електроенергії у світі з 1950 по 2000 рр. збільшилося (в основному за рахунок спалювання органічного палива) у 14 разів, перевищивши 14100 млрд. кВт·год, у тому числі за рахунок використання відновлювальних гідроенергетичних ресурсів – 2650 млрд. кВт·год (19% усього виробництва електроенергії).

Людина стала настільки «могутньою», що її вплив на навколишнє природне середовище може викликати катастрофічні наслідки. Такий розвиток цивілізації, коли взаємини людини і природного середовища складалися, виходячи з егоцентричної тези про те, що людина має право змінювати довкілля так, як їй здається зручним, призвів до марнотратного використання викопних ресурсів, до забруднення природного середовища і порушення його рівноваги, що становить загрозу самому існуванню людства.

Протягом тисячоліть люди намагалися жити в гармонії з природою, але саме в ХХ ст. у зв’язку з різким збільшенням антропогенного навантаження на неї і важкими екологічними наслідками найбільш гостро постали питання охорони навколишнього середовища, пошуку рівноваги між економічними і соціальними потребами суспільства і використання довкілля. Прийшло усвідомлення того, що умови життя людини і стан навколишнього оточення – ланки одного ланцюга.

Мільярди літ створювався тонкий і складний баланс біосфери Землі, й сьогодні людство, яке є частиною біосфери, руйнує його, забруднюючи атмосферу, гідросферу, грунт, і це багато в чому пов’язане з одержанням енергії.

Відомий учений-хімік І.В. Петрянов-Соколов писав: «Ми будемо прагнути до того, щоб обидві частини нашого світу – його біосфера, що існувала споконвічно, і техносфера, створена людиною, – змогли співіснувати, доповнюючи одна одну. Їх необхідно об’єднати, і співіснування повинно бути обов’язково, тому що у випадку катастрофи втрати обох сторін виявилися б настільки страшними, що невідомо, чи вдалося б чомусь зберегтися». Треба визнати, що енергетика – економіка – природне середовище – людина взаємозалежні та нероздільні.

Для людства настав «час істини», коли потрібно зробити вибір, змінити стратегію своєї поведінки, забезпечивши розумне керування розвитком, зробити переоцінку існуючої системи цінностей, глибоку економічну, соціальну і духовну перебудову життя суспільства. Не можна більше використовувати енергію і керувати енергоресурсами марнотратно і негуманно.

У ХХІ ст. удосконалення технологій виробництва енергії повинно ґрунтуватися на екологічних критеріях, максимальному використанні відновлювальних джерел енергії. Варто також очікувати появи і широкого застосування нових технологій, не пов’язаних зі спалюванням органічного палива. Необхідна скоординована політика світового співтовариства в галузі енергетики і охорони довкілля.

Для подолання кризи вкрай важливе розуміння населенням Землі загрозливої небезпеки, що вимагає від кожної людини відповідальності перед суспільством.