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

Конференція ООН по навколишньому середовищу і розвитку в Ріо-де-Жанейро, що відбулася в червні 1992 р., закликала всі держави і народи світу перейти на шлях сталого розвитку. Його необхідність викликана тим, що людство зіштовхнулося з усе наростаючими протиріччями між зростаючими масштабами своїх потреб і нездатністю біосфери Землі забезпечити їх, не руйнуючи саму себе.

Не можна у зв'язку із цим не відзначити одну паралель. У 1944 р. – під час другої світової війни – у журналі «Успіхи сучасної біології» з'явилася невелика (як для розділу оглядових і загальнотеоретичних статей) публікація академіка Вернадського В.І. «Кілька слів про ноосферу». Автор підкреслює, що історичні явища такого масштабу, як війни, починаючи з першої світової 1914–1918 рр. наштовхують на думку про велич людини в геологічній історії біосфери, заснованої на його розумі, що не повинна вживатися на самознищення. Звідси виникає питання про перебудову біосфери в інтересах вільно мислячого людства як єдиного цілого. Цей новий стан біосфери названий «ноосферою» (від грецького «ноос» – розум).

Неважко простежити безпосередній зв'язок між ідеями, висловленими в згаданій публікації, і сучасною концепцією сталого розвитку. Простежуючи історичне коріння цієї концепції, не можна не згадати також нашого співвітчизника, вченого-універсала і літератора С.А. Подолинського. Високий рівень і різнобічність освіти дозволили йому аналізувати процеси перетворення і розсіювання енергії на поверхні Землі, включаючи в них енергетичні процеси, пов'язані з рослинністю, тваринним світом і діяльністю людини. Цим він значно випередив свій час. Дійсно, як буде показано нижче, у розділі 3, строгим критерієм для кількісного опису здатності системи виконувати роботу є ексергія – єдине серед термодинамічних понять, у визначення якого входить навколишнє середовище. Воно було введено в науковий обіг тільки в 1957 р., хоча ще в 1928 р. В.І. Вернадський у праці «Про завдання і організацію прикладної наукової роботи АН СРСР» висловив припущення, що може бути знайдений якийсь загальний знаменник, який дозволить кількісно зіставляти всі природні продуктивні сили.

Володимир Іванович Вернадський (1863–1945) народився в СанктПетербурзі, однак його походження й значна частина життя пов'язані з Україною. Закінчив фізико-математичний факультет (відділення природничих наук) Санкт-Петербурзького університету. У 1888–1890 рр. подорожував по Європі, вивчаючи музеї Парижа й Лондона, працював у Мюнхені й Парижі. Очолював Комісію з вивчення продуктивних сил Росії. Один із засновників і перший президент Української академії наук в 1918–1921 рр. Розробив вчення про біосферу. Засновник і директор Радієвого інституту (Ленінград) й Інституту геохімії і аналітичної хімії РАН ім. В.І. Вернадського в Москві. У 1922–1926 рр. читав лекції по геохімії в Сорбонському університеті. З ім'ям В.І. Вернадського пов'язані перші дослідження і використання енергії атома. Акцентував увагу на відповідальності вчених перед суспільством, застерігав про наслідки можливого використання атома як фактора самознищення людства.

Проте задовго до цього, в 1880 р. у своїй основній публікації «Праця людини і її відношення до розподілу енергії» С.А. Подолинський показує, що внаслідок процесів глобального характеру «зменшення перетвореної енергії на земній поверхні відбувається настільки повільно і що запаси для її майбутнього одержання ще настільки великі, що зменшення її не зможе в найближчому майбутньому згубно вплинути на життя людини. Але це ще не означає, що ми могли б вважати розподіл перетвореної енергії на земній поверхні й тепер уже найбільш вигідним і цілком задовільним для людського життя. Навпаки, ми вважаємо, що можливість більш вигідного розподілу цієї енергії перебуває деякою мірою у руках самої людини». Він дуже грунтовно говорить про перетворену енергію на Землі, маючи на увазі ту частину енергії, яка може бути задіяна на її поверхні (наприклад перетворена в механічну роботу), визначає роль праці у світовому розподілі енергії.

Відповідно до його висновків, незважаючи на те, що загальна кількість енергії, одержувана поверхнею Землі зсередини її і від Сонця, поступово зменшується, в той же час загальна кількість енергії, накопиченої на земній поверхні, яка перебуває в розпорядженні людства, поступово збільшується під впливом людини і свійських тварин. Важливою ланкою в перетворенні сонячної енергії на Землі є рослини: «Випромінювання Сонця, нейтральне щодо певних сполук, наприклад вугільної кислоти, аміаку та ін., при тій температурі, з якою воно доходить до земної поверхні, одержує здатність розкладати їх за допомогою рослин». Використовуючи уявлення про цикл Карно (див. т. 2, підрозд. 2.4) і про його необоротність, він указує на принципову розбіжність між тепловими машинами і рослинами з погляду перетворення енергії: «Рослини переважно зберігають тільки сонячну енергію, але не перетворюють її в механічну роботу. Якщо вони надані самі собі, то ця енергія розсіюється в просторі. Зокрема, рослини піддаються гниттю або процесу перетворення у вугілля. Однак навіть воно повинне бути попередньо перетворене у теплоту, щоб одержати механічну роботу як вищу форму енергії.

Сергій Андрійович Подолинський (1850–1891) народився й виріс у с. Ярославка нинішнього Шполянського району Черкаської області в родині багатих дворян. З 1867 р. вчився на фізикоматематичному факультеті (відділення природничих наук) Імператорського університету Св. Володимира в Києві. Тут він зблизився з революційно настроєною молоддю, слухав лекції відомого економіста проф. Зібера М.І., відвідував його гурток, де познайомився із працями К. Маркса й Ф. Енгельса. Після успішного закінчення університету він разом із проф. Зібером М.І. виїжджає в Західну Європу для вивчення медицини і в 1876 р. захищає докторську дисертацію. Логіка його активної літературної та наукової діяльності у зв'язку з розвитком революційних ідей (де він категорично заперечував терор) поступово привела його до публікації в 1880 р. праці «Труд людини і його відношення до розподілу енергії». Його праці в різний час перекладав і видавав М.С. Грушевський; ними активно користувався В.І. Вернадський.

Поява тваринного світу істотно змінює ситуацію. Всі тварини більшою або меншою мірою перетворюють частину збереженої рослинами енергії у вищу форму, тут – у механічну роботу. Значно більшими результатами щодо цього характеризується діяльність людини: «робітник, що керує паровим плугом або жниваркою, зов

сім мало напружує свої м'язи порівняно з користю своєї роботи у розумінні збільшення загального запасу енергії. Таким чином, ми бачимо, що страшні м'язові зусилля в первісному людстві відповідали досить невеликій кількості корисної роботи, тим часом як при вдосконаленому машинному господарстві порівняно невелика м'язова робота проявляється в значних обсягах виконаної нею корисної роботи». Ось чому змістом продуктивної людської діяльності він вважає пряме або непряме збільшення бюджету перетвореної енергії на земній поверхні. Як пізніше влучно висловився В.І.Вернадський, людина – це трансформатор сонячної енергії. Не так очевидно, як у землеробстві, застосовується закон збільшення енергії при деяких інших видах праці. Однак і тут він має повне застосування. Наприклад, видобуток заліза вимагає величезних витрат механічної роботи, тобто розсіювання перетворюваної енергії. Але вона повертається у вигляді збереженої енергії людини внаслідок тих полегшень, які надає залізо у вигляді знарядь праці.

С.А. Подолинський жив в епоху розвитку техніки, коли ще вважалося безперспективним створення електричних машин. Проте, виходячи з окремих на той час прецедентів застосування сонячної енергії в розробках американського вченого Дж. Эріксона (сонячний повітряний двигун) і француза А. Мушо (сонячна піч), він прозорливо відзначає, що ця енергія принципово здатна забезпечити всі потреби значно більшої кількості людей, ніж тоді становило народонаселення Землі: «застосування сонячної енергії як безпосереднього двигуна і для приготування живильних речовин з неорганічних матеріалів є головними питаннями, що стоять на черзі для продовження найбільш вигідного нагромадження енергії на Землі».

У той же період він дуже чітко і гостро об'єднав проблеми, висловлюючись сучасною мовою, енергетичної ефективності та екології: «розсіювання у вигляді тепла замість перетворення в роботу значної кількості енергії в парових машинах є однією із причин їх відносної невигідності... Хто мав можливість спостерігати згубний вплив парових машин у такій місцевості, де немає кам'яного вугілля і шляхів сполучення для його підвозу, як це було до останнього часу в районі цукробурякової промисловості в південно-західній Росії, той мимоволі запитає себе, чи є виробництво цукру, з урахуванням неминучого й нещадного винищування лісів, збереженням енергії, тобто корисною роботою, чи швидким розсіюванням енергії в простір, тобто безглуздим хижацтвом?».

Таким чином, вітчизняні мислителі зробили значний вклад у становлення самої ідеї сталого розвитку. Розвинені країни, перш ніж приступити до її практичної реалізації, послідовно вирішили в основному проблеми енергоефективності національних економік, а потім ще – енергетичної безпеки. Ці особливості варто враховувати при розгляді ситуації в сфері енергозбереження в нашій країні.