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

Прискорення соціально-економічного розвитку суспільства у другій половині ХХ століття вимагало швидкого збільшення як виробництва електроенергії, так і використання водних ресурсів. Енергетика, будучи основним рушійним фактором розвитку економіки та підвищення добробуту населення, характеризується найбільш високими темпами зростання. При цьому різко зросло значення гідроенергетики – найефективнішого із відновлювальних джерел енергії, – яка є також основою комплексного використання водних ресурсів.

Сучасний етап розвитку гідроенергетики характеризується широким будівництвом великих ГЕС із водосховищами комплексного призначення у багатьох країнах світу, значним збільшенням використання гідроенергетичних і водних ресурсів, що пов’язано з необхідністю задоволення різко зростаючих потреб в електроенергії та воді міст, промисловості та сільського господарства, що швидко розвиваються, а також захисту від паводків. Крім того, в умовах збільшення частки електроенергії, що виробляється великими базисними ТЕС та АЕС, гідроелектростанції служать їх оптимальним доповненням як маневрені потужності. Виробництво електроенергії у світі з 1950 по 2000 р. збільшилось у 14 разів, досягнувши 14100 млрд. кВт·год, у тому числі використання гідроенергетичних ресурсів збільшилось у 8 разів, досягнувши 2650 млрд. кВт·год, що складає біля 19% загального вироблення енергії. Загальне споживання водних ресурсів у світі в цей період зросло більш ніж у 5 разів, досягнувши 6000 км3.

Високий рівень використання відновлювальних гідроенергетичних ресурсів у розвинутих країнах обумовлений перевагами ГЕС.

У зв’язку з введенням в об’єднаних енергосистемах великих базисних ТЕС та АЕС різко зросла роль у забезпеченні надійного енергопостачання високоманеврених ГЕС та ГАЕС, що покривають пікову частину графіка навантажень і виконують функції аварійного та навантажуючого резервів енергосистеми. Це спричинило також широке будівництво ГАЕС у світі, потужність яких до 2000 р. досягла 125 млн. кВт, у тому числі у Японії – 24 млн. кВт, у США – 18,9 млн. кВт, в Італії – 6,9 млн. кВт, у Франції – 5,9 млн. кВт, у Німеччині – 5,7 млн. кВт. Найбільші ГАЕС, що експлуатуються: у США Бас Каунтрі – потужністю 2.1 млн. кВт, Корнуол (I і II) – 2,2 млн. кВт, Ладингтон – 2,06 млн. кВт; в Англії Дінорвік – 1,8 млн. кВт, у Франції Гранд Мезон – 1,8 млн. кВт. Введені в експлуатацію перші агрегати на найбільших ГАЕС, що будуються: Kannagawa (2,82 млн. кВт) – в Японії, Huizhou (2,4 млн. кВт) – у Китаї, Дністровської (2,28 млн. кВт) – в Україні.

Великий набутий досвід, успіхи в методах проектування та розрахунків, вдосконалення конструкцій гребель та технологій їх спорудження, забезпечивши підвищення надійності та економічності гребель, відкрили нові можливості широкого використання гідроенергетичних ресурсів, дозволили споруджувати ГЕС з високими греблями та великими водосховищами у різноманітних природних умовах, включаючи складні інженерно-геологічні умови, високу сейсмічність.

У цей період у різних природних умовах споруджуються ГЕС з греблями різноманітних типів, висота яких збільшується, досягаючи 200–300 м. Серед світових «рекордсменів» гравітаційна гребля Гранд

Таблиця 1.1. Найпотужніші гідроелектростанції світу

ГЕС	Країна	Рік введення в дію	Потужність, млн. кВт	Об’єм водосховища, десятків км3
Куйбишевська Братська Красноярська Саяно-Шушенська	Росія	1955 1961 1967 1981	2,30 4,50 6,00 6,40	58,0 169,3 73,3 29,1
Токтогульська	Киргизстан	1978	1,25	19,5
Нурекська	Таджикистан	1980	2,70	10,5
Bhakra	Індія	1963	1,05	9,6
Tarbela	Пакистан	1976	3,05	13,7
Ataturk	Турція	1990	2,40	48,7
Longyangxia Ertran Три ущелини	Китай	1989 1999 2009	1,30 3,30 18,20	27,4 5,8 39,3
Хаобинь	В’єтнам	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	Бразилія	1973 1984 1996	3,20 4,00 5,08 1,29	21,2 45,8 3,8 54,4
Itaipy	Бразилія, Парагвай	1982	12,60	29,0
Vacyreta	Парагвай	1997	2,70	21,0
Guri (Raul Leoni)	Венесуела	1986	10,30	138,0
Chicoasen (Manuel)	Мексика		2,40	1,6
Aswan High	Єгипет	1970	1,80	168,9
Cabora Bassa	Мозамбік	1974	2,40	63,0

Діксанс (Швейцарія) заввишки 262 м, арково-гравітаційна Глен Каньон (США) – 216 м та Саяно-Шушенська (Росія) – 245 м, аркові греблі Вайонт (Італія) – 262 м та Інгурська (Грузія) – 272 м, багатоаркова Даніель Джонсон (Канада) – 215 м, кам’яно-земляна Нурекська (Таджикистан) – 300 м. У Китаї споруджується аркова гребля Xiaowan заввишки 292 м.

У багатьох країнах потужність ГЕС досягнула мільйонів кіловат, об’єм водосховищ – десятків км3 (табл. 1.1).

Каскади ГЕС з великими водосховищами комплексного призначення утворюють водогосподарські комплекси, учасниками яких є енергетика, комунально-побутове, промислове, сільськогосподарське водопостачання, зрошування, водний транспорт, рибне господарство, рекреація. Вони також забезпечують захист природного та соціального середовища від повеней, гарантовані санітарно-екологічні скиди (попуски). При цьому на основі створеної інфраструктури, енергетичних та водних ресурсів різко прискорився економічний розвиток багатьох раніше відсталих або віддалених регіонів, були створені потужні територіально-промислові комплекси.

ГЕС Даніель Джонсон (Канада)

Однак створення водосховищ, виявляючись активним втручанням в екологічні умови, що склались, справляючи значний вплив на них, може призвести до негативних наслідків для навколишнього природного середовища та умов життя населення. Багато негативних наслідків при створенні водосховищ (особливо у 50–70-ті роки ХХ ст.) мають історичні корені, обумовлені відомими труднощами соціально-економічного та політичного розвитку суспільства, а також недооцінкою впливу техногенної дії на навколишнє природне та соціальне середовище, недостатністю природоохоронних та компенсаційних заходів, порушенням режимів експлуатації. Крім того, оцінки впливу водосховищ на навколишнє середовище у багатьох випадках мали поверховий обмежений характер.

В останні десятиріччя ХХ ст. проблеми впливу ГЕС та водосховищ на навколишнє середовище стали предметом глибокого вивчення, найважливішого значення набувають комплексні роботи по вивченню та прогнозуванню наслідків їх спорудження. Практично у всіх країнах законодавчі акти, державна політика особливу увагу приділяють захисту навколишнього середовища, обов’язковою стає експертиза впливу об’єкту на навколишнє середовище, висновки якої стають визначальним фактором при прийнятті рішення щодо будівництва ГЕС.

Практика тривалої експлуатації багатьох ГЕС з великими водосховищами комплексного призначення, де в повному обсязі були виконані природоохоронні та компенсаційні заходи, показала можливість мінімізації негативних наслідків та збереження екологічної рівноваги.

Широкомасштабне спорудження ГЕС із водосховищами комплексного призначення відіграло важливе значення в економічному розвитку багатьох країн, у підвищенні добробуту людей, покращенні якості життя населення, особливо в країнах, що розвиваються, за рахунок збільшення споживання електроенергії, забезпечення питною водою, розширення зрошувальних площ, захисту від паводків та іншого.

На 2000 р. у світі при виробленні ГЕС 2650 млрд. кВт·год. було освоєно біля третини економічно ефективного гідроенергетичного потенціалу, причому розвинуті країни використали його більш ніж на 70%, а багато які з країн Західної Європи (Франція, Швейцарія, Італія) використали економічно ефективний потенціал на 95–98%, Японія – на 90%, США – на 82%, Канада – на 65%, інтенсивне гідроенергетичне будівництво ведеться в Азії, особливо в Китаї, Індії, у Південній Америці та Африці. У 1992 р. у Китаї розпочались роботи зі спорудження найпотужнішої у світі ГЕС «Три ущелини».

Величезний набутий досвід послужить подальшому розвитку гідроенергетики у ХХІ столітті.

На 2008 р. у світі потужність ГЕС досягла 887 млн. кВт, а вироблення – 3050 млрд. кВт·год, у Китаї потужність ГЕС склала 171 млн. кВт, вироблення – 684 млрд. кВт·год, і він вийшов на перше місце у світі, у США відповідно – 78,2 млн. кВт та 270 млрд. кВт·год, у Канаді – 72,7 млн. кВт та 350 млрд. кВт·год.

У СРСР, як і у всьому світі, цей етап характеризується широким гідроенергетичним будівництвом. У період 1946– 1958 рр. були завершені відбудова та реконструкція зруйнованих під час війни ГЕС і побудовано ряд великих ГЕС із водосховищами комплексного використання, переважно в європейській частині країни, на багатоводних рівнинних річках – Волзі, Дніпрі, Камі, Дону, Дністрі та ін.

Не дивлячись на величезні руйнування, колектив Дніпробуду у 1947 р. відбудував греблю Дніпрогесу та ввів в експлуатацію три гідроагрегати, а у 1950 р. ГЕС досягла потужності 650 МВт. Також були відбудовані й реконструйовані Нижньосвірська, Кегумська та інші ГЕС.

У 1952 р. був побудований водогосподарський комплекс у складі Цимлянського гідровузла з ГЕС на Дону, Волго-Донського судноплавного каналу завдовжки 101 км з 13 шлюзами.

Розгорнулись роботи з будівництва найбільших ГЕС Волзького каскаду – Куйбишевської (Волзької) ГЕС потужністю 2300 МВт, яка стала до ладу у 1958 р. (у той час найбільша у світі), Волгоградської ГЕС потужністю 2541 МВт, введеної в дію у 1961 р. Ці ГЕС із водосховищами комплексного призначення зіграли суттєву роль у створенні Єдиної енергосистеми європейської частини СРСР, у забезпеченні зрошення біля 5 млн. га засушливих земель, захисту від повеней, розв’язанні проблем водного транспорту.

У 1956 р. була введена в експлуатацію Каховська ГЕС – нижча ступінь Дніпровського каскаду потужністю 351 МВт з водосховищем комплексного призначення, що забезпечує зрошення земель півдня України. Із водосховища Каховської ГЕС вода подається у Південно-Український і ПівнічноКримський канали, що будувались одночасно з цією ГЕС. У ці роки розпочато будівництво Кременчуцької та Дніпродзержинської ГЕС. У Молдавії вводиться в дію Дубосарська ГЕС на Дністрі потужністю 48 МВт. Проекти цих великих ГЕС були розроблені інститутом «Укргідроенергопроект».

Роботи зі спорудження найпотужнішої у світі ГЕС «Три ущелини» (Китай) розпочались у 1992 році

Красноярська ГЕС – перша гідроелектростанція на річці Єнісей

Здійснюється будівництво ГЕС у Вірменії, Грузії, на Північному Кавказі. У північно-західному районі країни закінчено утворення каскадів на річках Свірь і Ніва.

У Середній Азії збудована Кайраккумська ГЕС потужністю 120 МВт на р. Сирдар’ї, що збільшило забезпечення водою зрошуваних земель Голодного степу, у Казахстані – Усть-Каменогірська потужністю 331 МВт на Іртиші, у Сибіру – Новосибірська (455 МВт) на р. Об та Іркутська (662 МВт) на Ангарі.

Ведеться також широке будівництво невеликих ГЕС для електропостачання сільськогосподарських районів.

У 1958 р. потужність ГЕС досягла 10,9 млн. кВт, а виробництво збільшилось з 4,8 млрд. кВт·год у 1945 р. до 46,5 млрд. кВт·год, що становило 19,7% загального виробництва електроенергії.

Період 1959–1980 рр. характеризується будівництвом великих ГЕС із зміщенням центру гідроенергетичного будівництва у райони Сибіру, Середньої Азії, де зосереджено 80% гідроенергоресурсів і сприятливі природні умови для спорудження високонапірних високоефективних ГЕС.

Найважливіше значення в освоєнні гідроенергетичних ресурсів найбільших річок Сибіру мало спорудження Братської ГЕС на Ангарі (1961 р.) потужністю 4500 МВт з одиничною потужністю гідроагрегатів 250 МВт. Будівництво Братської ГЕС з бетонною гравітаційною греблею заввишки 120 м у суворих умовах Сибіру стало видатним досягненням. Досвід її спорудження і технологія виконання бетонних робіт були використані при будівництві інших ГЕС Сибіру. Братська ГЕС стала основою формування Об’єднаної енергосистеми Сибіру, а також Братсько–Усть-Ілімського територіально-виробничого комплексу, до складу якого пізніше ввійшла Усть-Ілімська ГЕС потужністю 4,3 млн. кВт, введена в дію у 1975 р.

У 1967 р. збудована Красноярська ГЕС на Єнісеї потужністю 6000 МВт при одиничній потужності агрегатів 500 МВт. До складу гідровузла ввійшла бетонна гребля заввишки 124 м і завдовжки 1100 м.

У цей же період була збудована найпівнічніша в країні Усть-Хантайська ГЕС на притоці Єнісею р. Хантайці потужністю 440 МВт, у Східному Сибіру – перша черга Вілюйської ГЕС на р. Вілюй в Якутії потужністю 650 МВт та ін.

Токтогульська ГЕС

На Далекому Сході у 1978 р. введена в експлуатацію Зейська ГЕС на р. Зеї потужністю 1330 МВт з масивно-контрфорсною греблею висотою 123 м, водосховище якої зменшує також загрозу повеней у басейні р. Амур.

У Середній Азії на річках Амудар’ї, Сирдар’ї та їх притоках будуються ГЕС з великими водосховищами, що дозволяють зрошувати великі масиви родючих земель. На р. Сирдар’ї була споруджена Чардаринська ГЕС потужністю 100 МВт, на р. Вахш – Головна потужністю 210 МВт, Нурекська – 2700 МВт (1980 р.) із найвищою у світі кам’яно-земляною греблею висотою 300 м, на р. Чирчик – Чарвакська ГЕС потужністю 600 МВт.

У Киргизії у 1978 р. була введена в дію Токтогульська ГЕС на р. Нарин потужністю 1200 МВт з бетонною гравітаційною греблею заввишки 215 м, збудованою у вкрай складних природних умовах при надзвичайно високій сейсмічності (розрахункова сейсмічність більше 10 балів по 12-бальній шкалі).

У Південному Казахстані на р. Ілі були збудовані Капчагайська ГЕС потужністю 434 МВт, а також комплекс споруд каналу Іртиш–Караганда з розрахунковими витратами 75 м3/с, що забезпечив водопостачання і зрошення земель у Центральному Казахстані.

Вид на Каховське водосховище

 Саяно-Шушенська ГЕС – найпотужніша ГЕС Росії 

До складу споруд Саяно-Шушенської ГЕС входять:

• бетонна арково-гравітаційна гребля висотою 244 м, довжиною 1066 м з шириною основи – 110 м, шириною по гребеню 25 м. Гребля включає в себе лівобережну глуху частину довжиною 246,1 м, станційну частину довжиною 331,8 м, водоскидну частину довжиною 189,6 м та правобережну глуху частину довжиною 298,5 м;

• пригреблеве приміщення ГЕС;

• береговий водоскид.

У приміщенні ГЕС розташовано 10 радіально-осьових гідроагрегатів потужністю 640 МВт кожний, працюючих при розрахунковому напорі 194 м. Максимальний статистичний напір на греблю – 220 м.

Потужність ГЕС – 6400 МВт, середньорічне виробництво 23,5 млрд. кВт·год.

На Волзькому каскаді вводиться в експлуатацію Саратовська ГЕС потужністю 1360 МВт, на Камі – Воткінська ГЕС (1020 МВт). На Дніпровському каскаді за проектами, розробленими інститутом «Укргідропроект», вводяться в дію Кременчуцька ГЕС потужністю 686 МВт, Дніпродзержинська – 352 МВт, Київська – 361 МВт, де вперше були застосовані горизонтальні капсульні агрегати, і перша в країні Київська ГАЕС потужністю 224 МВт, Канівська ГЕС потужністю 444 МВт, на Дніпровській ГЕС будується друге приміщення ГЕС – Дніпрогес-ІІ потужністю 888 МВт і другий судноплавний шлюз.

У Литві на р. Неман збудована Каунаська ГЕС потужністю 100 МВт, у Латвії на Даугавському каскаді – Плявинська ГЕС потужністю 825 МВт і Ризька ГЕС потужністю 384 МВт. На Кольському півострові та в Карелії збудовані Борисоглібська ГЕС на р. Паз, Верхньотуломська на р. Туломі потужністю 248 МВт та ін.

У Вірменії було завершено спорудження Севано-Разданського каскаду ГЕС, що дозволило збільшити також площу зрошуваних земель, збудована високонапірна (напір 576 м) Татевська ГЕС на р. Воротан потужністю 157 МВт. У Грузії введені в експлуатацію Гуматські ГЕС на р. Ріоні, Храмська ГЕС 2 потужністю 110 МВт, Ланжанурська ГЕС – 112 МВт (1980), Інгурська ГЕС потужністю 1600 МВт з найвищою у світі арковою греблею заввишки 272 м. На Північному Кавказі у 1978 р. збудована Чиркейська ГЕС на р. Сулак потужністю 1000 МВт з арковою греблею заввишки 232,5 м (див. с. 263).

У 1975 р. потужність ГЕС склала 40,5 млн. кВт, а виробництво електроенергії – 126 млрд. кВт·год.

У період до 1990 р. на Волзько-Камському каскаді стали до ладу Нижньокамська ГЕС потужністю 1205 МВт і Чебоксарська ГЕС потужністю 1370 МВт, а на Дністрі Дністровська ГЕС потужністю 702 МВт, збудована за проектом Укргідропроекту.

У цей період більша частина потужностей ГЕС стає до ладу у Сибіру: на Саяно-Шушенській ГЕС на Єнісеї потужністю 6400 МВт з арково-гравітаційною греблею заввишки 244 м, друга черга Вілюйської ГЕС зі збільшенням потужності до 650 МВт, Колимська ГЕС – 720 МВт, Курейська ГЕС – 600 МВт.

Розпочато будівництво Богучанської ГЕС на Ангарі потужністю 3000 МВт, Усть-Середньоканської на Колимі потужністю 550 МВт, на Далекому Сході Бурейської і Нижньобурейської ГЕС на р. Бурея сумарною потужністю 2300 МВт, будівництво яких через економічний спад не було закінчене.

На Північному Кавказі були введені в експлуатацію Міатлинська ГЕС на р. Сулак потужністю 220 МВт, Зеленчукські ГЕС на р. Кубань сумарною потужністю 550 МВт, високонапірна Зарамагська ГЕС на р. Ардон потужністю 370 МВт, розпочато будівництво Ірганайської ГЕС на р. Аварське Кайсу потужністю 800 МВт (перший агрегат став до ладу у 1992 р.).

У Середній Азії розпочалось будівництво Рагунської ГЕС на р. Вахш потужністю 3600 МВт з греблею, аналогічною Нурекській, висотою 335 м, яке пізніше було призупинене.

У цей період у зв’язку з підвищенням в Об’єднаній енергосистемі європейської частини країни ролі великих ТЕС і АЕС розпочалось спорудження ГАЕС.Дністровська ГЕС. Вигляд з нижнього б’єфа

Чиркейська ГЕС. Вигляд з нижнього б’єфа

У Литві збудована Круоніська (Кайшядорська) ГАЕС на р. Неман потужністю 1600 МВт, у Росії в Московській області на р. Куньї – Загорська ГАЕС потужністю 1200 МВт (перший агрегат став до ладу у 1987 р., а у 2002 р. ГАЕС досягла проектної потужності).

В Україні за проектами Укргідропроекту, який на даний час став однією із головних міжнародних фірм, що спеціалізуються в інжинірингових послугах з проектування гідроенергетичних і водогосподарських об’єктів, будується Ташликська ГАЕС на р. Південний Буг потужністю 900 МВт у складі Південно-Українського енергокомплексу, куди також входить Південно-Українська АЕС потужністю 3000 МВт, найбільша в Європі Дністровська ГАЕС на Дністрі потужністю 2268 МВт.

Мал. 1.2. Зростання встановленої потужності і виробництва електроенергії на ГЕС у СРСР

У 1990 р. потужність ГЕС досягла 65 млн. кВт, а виробництво 233 млрд. кВ·год і СРСР вийшов по встановленій потужності ГЕС на друге місце у світі після США, а з виробництва електроенергії на ГЕС – на третє місце в світі після Канади і США. Зростання потужності і виробництва електроенергії показано на мал. 1.2.

Після розпаду СРСР у країнах СНД у період до 2000 року в умовах економічного спаду, що затягнувся, структурних змін в економіці, інвестиційної кризи різко знизились капіталовкладення і відповідно темпи будівництва ГЕС і ГАЕС, а будівництво ряду об’єктів було законсервовано.

Так, у Росії за цей період на ГЕС було введено в експлуатацію біля 600 МВт нових потужностей, з 2001 р. ведуться роботи з добудови і введення Бурейської, Богучанської, Усть-Середньоканської та ряду інших ГЕС, спорудження яких було розпочато до 1991 р. В Україні у 1996–2002 рр. була виконана перша черга реконструкції ГЕС Дніпровського каскаду, стала до ладу Дністровська ГЕС-2 потужністю 41 МВт на Дністрі. У 2007 р. введені в експлуатацію два агрегати Ташликської ГАЕС загальною потужністю 302 МВт, а в 2009 р. перший агрегат Дністровської ГАЕС потужністю 324 МВт, здійснюється друга черга реконструкції ГЕС Дніпровського каскаду.

На будівництві Бурейської ГЕС (Амурська область, Росія, 2004 р.)