Гідроенергетичні ресурси світу

Людина ще в глибоку давнину звернув увагу на річки як на доступне джерело енергії. Для використання цієї енергії люди навчилися будувати водяні колеса, які обертала вода; цими колесами наводилися в рух млинові постава та інші установки. Водяний млин є яскравим прикладом найдавнішої гідроенергетичній установки, яка збереглася в багатьох країнах до нашого часу майже в первозданному вигляді. До винаходу парової машини водна енергія була основною рушійною силою на виробництві. У міру вдосконалення водяних коліс збільшувалася потужність гідравлічних установок, що приводять в рух верстати і т.д. У 1-й половині XIX століття була винайдена гідротурбін, що відкрила нові можливості з використання гідроенергоресурсов. З винаходом електричної машини і способу передачі електроенергії на значні відстані почалося освоєння водної енергії шляхом перетворення її в електричну енергію на гідроелектростанціях (ГЕС).

Загальні відомості

Гідроенергоресурси - Це запаси енергії поточної води річкових потоків і водоймищ, розташованих вище рівня моря (а також енергії морських припливів).

Суттєву особливість в оцінку гідроенергоресурсов вносить та обставина, що поверхневі води - найважливіша складова частина екологічного балансу планети. Якщо всі інші види первинних енергоресурсів використовуються переважно для вироблення енергії, то гідравлічні ресурси повинні оцінюватися і з точки зору можливостей здійснення промислового і громадського водопостачання, розвитку рибного господарства, іригації, судноплавства і т.д.

Характерна для гідроенергоресурсов і та особливість, що перетворення механічної енергії води в електричну відбувається на ГЕС без проміжного виробництва тепла.

Енергія річок поновлювані, причому циклічність її відтворення повністю залежить від річкового стоку, тому гідроенергоресурси нерівномірно розподіляються протягом року, крім того їх величина змінюється з року в рік. В узагальненому вигляді гідроенергоресурси характеризуються Середньобагаторічний величиною (як і водні ресурси).

В природних умовах енергія річок витрачається на розмив дна і берегів русла, перенесення і переробку твердого матеріалу, вилуговування і перенесення солей. Ця ерозійна діяльність може призводити і до шкідливих наслідків (порушення стійкості берегів, повені та ін), і мати корисний ефект як, наприклад, при винесенні з гірської породи руди і мінеральних речовин, формування, винос і накопичення різних будматеріалів (галечник, пісок). Тому використання гідроресурсів для вироблення електроенергії завдає шкоди формуванню інших важливих ресурсів.

Використання гідроенергетичних ресурсів займає значне місце в світовому балансі електроенергії. У 70-80-х роках вага гідроенергії знаходився на рівні приблизно 26% всієї вироблення електроенергії світу, досягши значною абсолютної величини. Вироблення електроенергії ГЕС світу після 2-ї Світової війни росла великими темпами: з 200 млрд. квт-ч в 1946 р. до 860 млрд. кВт-ч в 1965 р. і 975 млрд. квт-ч в 1978 р. А зараз у світі виробляється 2100 млрд. квт-ч гідроеергіі на рік, а до 2000 р. ця величина ще зросте. Прискорений розвиток гідроенергетики в багатьох державах світу пояснюється перспективою наростання паливно-енергетичних та екологічних проблем, пов'язаних з продовженням наростання вироблення електроенергії на традиційних (теплових і атомних) електростанціях при слабо розробленої технологічній основі використання нетрадиційних джерел енергії. Основна частина світової вироблення ГЕС падає на Північну Америку, Європу, Росію і Японію, у яких виробляється до 80% електроенергії ГЕС світу.

В ряді країн з високим ступенем використання гідроенергоресурсов спостерігається зниження питомої ваги гідроенергії в електробалансе. Так, за останні 40 років питома вага гідроенергії знизився в Австрії з 80 до 70%, у Франції з 53 до дуже малу величину (за рахунок збільшення виробництва електроенергії на АЕС), у Італії з 94 до 50% (це пояснюється тим, що найбільш придатні до експлуатації гідроенергоресурси в цих країнах вже майже вичерпано). Одне з найбільших знижень відбулося в США, де виробництво електроенергії на ГЕС в 1938 р. становила 34%, а вже в 1965 р. - тільки 17%. У той же час в енергетиці Норвегії ця частка становить 99,6%, Швейцарії і Бразилії - 90%, Канади - 66 %.

Гідроенергетичний потенціал і його розподіл за континентах і країнах

Незважаючи на значний розвиток гідроенергетики у світі в обліку світових гідроенергоресурсов досі немає повного однаковість і відсутні матеріали, що дають яку можна порівняти оцінку гідроенергоресурсов світу. Кадастрові підрахунки запасів гідроенергії різних країн і окремих фахівців відрізняються один від одного низкою показників: повнотою охоплення річкової системи окремої країни та окремих водотоків, методологією визначення потужності; в одних країнах враховуються потенційні гідроенергоресурси, в інших вводяться різні поправочні коефіцієнти і т.д.

Спроба впорядкувати облік і оцінку світових гідроенергоресуров була зроблена на Світових енергетичних конференціях (МІРЕК).

Було запропоновано наступне зміст поняття гідроенергетичного потенціалу -- сукупність валової потужності всіх окремих ділянок водотоку, які використовуються в даний час або можуть бути енергетично використані. Валова потужність водотоку, що характеризує собою його теоретичну потужність, визначається за формулою:

N квт = 9,81 QH,

де Q - витрата водотоку, м3/с; H - падіння, м.

Потужність визначається для трьох характерних витрат: Q = 95% - витрати, забезпеченістю 95% часу; Q = 50% - забезпеченістю 50% часу; Qср -- середньоарифметичним.

Істотним недоліком цих пропозицій було те, що вони передбачали облік гідроенергоресурсов не по всьому водотоку, а тільки по тих його ділянках, які представляють енергетичний інтерес. Відбір ж цих ділянок не міг бути твердо регламентований, що на практиці призводило до внесення в підрахунки елементи суб'єктивізму. У табл. 1 наводяться підраховані для шостої сесії МІРЕК дані по гідроенергоресурсам окремих країн.

Питанню упорядкування обліку гідроенергоресурсов було приділено велику увагу в роботі Комітету з електроенергії Європейської економічної комісії ООН, яка встановила певні рекомендації з даного питання. Цими рекомендаціями встановлювалася наступна класифікація у визначенні потенціалу:

Теоретичний валової (брутто) потенціал гідроенергетичний потенціал (або загальні гідроенергетичні ресурси):

1. поверхневий, що враховує енергію стікають вод на території цілого району або окремо взятого річкового басейну;

2. річковий, що враховує енергію водотоку.

Табл. 1        

країна         

потужність брутто, млн квт при   витрати         

країна         

потужність брутто, млн квт при витратах             

        

95% обесп.         

50% обесп.         

середн.         

        

95% обесп.         

50% обесп.         

середн             

Америка         

        

        

        

Азія         

        

        

            

Бразилія         

16,5         

        

        

Індія         

31,4         

        

            

Венесуела         

4,4         

26,8         

26,5         

Пакистан         

6,6         

13,1         

9,8             

Канада         

44,8         

75,9         

        

Японія         

9,4         

        

17,5             

США         

29         

63,5         

98,2         

Туреччина         

        

        

10,5             

Чилі         

9,5         

22,6         

26,6         

Океанія         

        

        

            

Європа         

        

        

        

Австралія         

1,2         

2,9         

3,9             

Австрія         

3,2         

        

7         

Африка         

        

        

            

Греція         

        

        

9,6         

Кот-д'Івуар         

0,5         

3,5         

7,5             

Іспанія         

        

        

14,9         

Габон         

6         

18         

21,9             

Італія         

9,2         

13,3         

17,4         

Гвінея         

0,5         

3,5         

8             

Норвегія         

18,4         

20,3         

21,4         

Камерун         

4,8         

18,3         

28,7             

Португалія         

0,7         

2,7         

5,8         

Конго (Браззавіль)         

3         

9         

11,3             

Фінляндія         

        

        

1,9         

Мадагаскар         

14,3         

49         

80             

Франція         

        

        

7,7         

Малі         

        

1         

4,4             

Німеччина         

1,6         

        

2,8         

Сенегал         

        

1,1         

5,5             

Швеція         

        

        

22,5         

ЦАР         

3,5         

10,5         

13,8             

Югославія         

2,4         

6,3         

10,1         

Чад         

        

2,5         

4,3     

Експлуатаційний чистий (або нетто) гідроенергетичний потенціал:

1. технічний (або технічні гідроенергоресурси) - частина теоретичного валового річкового потенціалу, яка технічно може бути використана або вже використовується (світовий технічний потенціал оцінюється приблизно в 12300 млрд. квт-ч);

2. економічний (або економічні гідроенергоресурси) - частина технічного потенціалу, використання якої в існуючих реальних умовах економічно виправдане (тобто економічно вигідно для використання); економічні гідроенергоресурси в окремих країнах наведені в табл.4.

В Відповідно до цього повна величина світових потенційних гідроенергоресурсов річкового стоку наведена в табл.2.

Табл.2 Гідроенергетичні ресурси (повний гідроенергетичний річковий потенціал) окремих континентів        

континент         

гідроенергоресурси         

% від підсумку по земній кулі         

питома величина   гідроенергоресурсов, квт/кв.км             

        

млн. Квт         

млрд. КВт-год         

            

Європа         

240         

2100         

6,4         

25             

Азія         

1340         

11750         

35,7         

30             

Африка         

700         

6150         

18,7         

23             

Північна Америка         

700         

6150         

18,7         

34             

Південна Америка         

600         

5250         

16         

33             

Австралія         

170         

1500         

4,5         

19             

Разом по земній кулі         

3750         

32900         

100         

28             

колишній СРСР         

450         

3950         

12         

20     

Наведені розрахунки в свій час внесли суттєві зміни в старі уявлення про розподіл гідроенергоресурсов по континентах. Особливо великі зміни були отримані по Африці та Азії. Ці дані показують, що на Азіатському континенті зосереджено майже 36% світових запасів гідроенергії, в той час як в Африці, яка вважалася найбільш багатою гідроенергоресурсамі, зосереджено близько 19%. У табл. 3 наводиться зіставлення даних, характеризують розподіл гідроенергоресурсов по континентах, отриманих за різними підрахунками. Табл.3 Насиченість гідроенергоресурсамі території континентів, тис. кВт-год на 1 кв. км        

Північна Америка         

300         

Європа         

225             

Південна Америка         

290         

Африка         

200             

Азія         

265         

Австралія         

170     

Табл.4 Зіставлення даних про розподіл потенційних гідроенергетичних ресурсів по континентах (% від підсумку по земній кулі)        

континент         

за даними Геологічної служби   США         

за даними Оксфордського атласу         

за даними югославського делегата   на IV МІРЕК         

за даними ООН         

з підрахунку, зробленому в   СРСР             

Європа         

10         

10,3         

3,6         

13,8         

6,4             

Азія         

24,2         

22,8         

41,2         

34         

35,7             

Африка         

38,7         

41,1         

20,5         

32,2         

18,7             

Північна Америка         

14         

12,7         

12,6         

11,4         

18,7             

Південна Америка         

9,6         

10,1         

19,8         

7,6         

16             

Австралія         

3,5         

3         

2,1         

1         

4,5             

Земля в цілому         

100         

100         

100         

100         

100     

Якщо навіть врахувати те, що колишні уявлення про розподіл гідроенергоресурсов грунтувалися на даних, підрахованих по стоку 95%-ї забезпеченості, то все ж не можна не звернути увагу на виняткову завищеною в колишніх уявленнях потенційних ресурсів Африки, що виходили з перебільшених уявлень про стік річок цього континенту. Якщо річний стік басейну річки Конго перш оцінювався в 500-570 мм шару, то в даний час він оцінюється всього в 370 мм. Для річки Нігер приймався шар стоку 567 мм, а фактично він складає близько 300 мм. То ж виходить з даними про середній величині шару стоку, що є хорошими показниками гідроенергетичного потенціалу окремих континентів (див. табл. 7). З цієї таблиці видно, що за висотою континенту і величиною стоку, тобто по основним енергетичним показникам, Африка стоїть далеко позаду Азії і майже на одному рівні з Північною Америкою.

Табл. 5        

континент         

Середня висота континенту, м         

висота шару стоку, см         

площа континенту, млн. км2         

головою стік, км3             

Європа         

322         

26,5         

9,7         

2560             

Азія         

912         

22         

44,5         

9740             

Африка         

653         

20,3         

29,8         

6070             

Північна Америка         

658         

31,5         

20,4         

6450             

Південна Америка         

605         

45         

18         

8130             

Австралія         

344         

7,7         

8         

610     

Т.ч., розподіл гідроресурсів пов'язано більшою мірою з географічними особливостями найбільших річок та їх басейнів. Приблизно 50% світового водостоку припадає на 50 найбільших річок, басейни яких охоплюють близько 40% суші. П'ятнадцять річок з цього числа мають стік в обсязі 10 тис. км3/с або більше. Дев'ять із них знаходяться в Азії, три - у Південній та два - у Північній Америці, одна - В Африці.

В гідроенергоресурсах світу більша частина (близько 60%) припадає на східне півкуля, яке перевершує західне і за питомою (на одиницю площі) показником Гідроресурсний забезпеченості (відповідно 17 і 15 кВт/км2.

Завдяки високому рівню промислового розвитку, країни Західної Європи та Північної Америки протягом тривалого часу випереджали всі інші країни за ступенем освоєння гідроенергоресурсов. Вже в середині 20-х років гідропотенціал був освоєно у Західній Європі приблизно на 6%, а в Північній Америці, що мала в цей період найбільшими гідроенергетичними потужностями, - на 4%. Через півстоліття відповідні показники складали для Західної Європи близько 60%, а для Північної Америки - приблизно 35%. Вже в середині 70-х років абсолютні потужності ГЕС Західної Європи перевершували такі в будь-якому іншому регіоні світу.

В країнах, що розвиваються відносно високі темпи використання гідроенергії в значною мірою зумовлені вкрай низьким вихідним рівнем. За більш як 50-кратне збільшення за півстоліття встановлених гідроенер?? етіческіх ливість країни, що розвиваються в середині 70-х років більш ніж у 4,5 раза відставали від розвинених країн і по потужності електростанцій, і з вироблення на них електроенергії. І якщо в розвинених країнах гідропотенціал в середині 70-х використовувався приблизно на 45%, то в країнах, що розвиваються - тільки на 5%. Для усього світу цей показник в цілому складає 18%. Таким чином поки що для світу характерне використання лише невеликої частини гідроенергетичного потенціалу.

В зв'язку з вичерпанням в ряді країн економічних гідроенергоресурсов в цих країнах значно підвищився інтерес до спорудження гідроакумулюючих електростанцій (ГАЕС). У Європі почали споруджувати спеціальні ГАЕС ще в 20-30-х роках, але великий розвиток вони отримали починаючи з середини 50-х років. В даний час більше половини ГАЕС світу перебувають у країнах ЄС. У США та Канаді гідроакумулюючі установки в минулому одержали менше поширення, ніж у Європі, оскільки ці країни мали у своєму розпорядженні великі запаси економічних гідроенергоресурсов. Однак за останні роки в США та Канаді також підвищився інтерес до ГАЕС. Також великий інтерес у світі останнім часом являє використання енергії морських припливів для отримання електроенергії, це перспективний напрямок в гідроенергетиці, тому що енергія морських припливів поновлювані і практично невичерпна - це величезне джерело енергії. Під багатьох країнах уже діють приливні електростанції (ВЕЗ). Далі за всіх в цьому напрямі поки що просунулася Франція.

Екологічний аспект у використанні гідроенергоресурсов

При використанні гідроенергоресурсов дуже важливий екологічний аспект. Будівництво ГЕС в багатьох випадках супроводжується спорудою водосховищ, які часом роблять негативний вплив на екологічну обстановку, вносять ряд змін в природу. Гідроенергетика майбутнього має при мінімальному негативний вплив на природне середовище максимально задовольняти потреби людей в електроенергії. Тому проблемами збереження природного і соціального середовища під час гідротехнічного будівництва приділяється сьогодні все більше увагу. У сучасних умовах особливо важливий правильний прогноз наслідків подібного будівництва. Результатом прогнозу повинні стати рекомендації з пом'якшення та подолання несприятливих екологічних ситуацій при будівництві ГЕС, порівняльна оцінка екологічної ефективності створених або проектованих гідровузлів. Таким чином, можна говорити про доцільність утворення нової, більш вузькою і складної категорії гідроенергетичних ресурсів - Екологічно ефективної частини, диференційованою за ступенем екологічної навантаження, спричиненою використанням певної частки гідроенергопотенціалу. До жаль, на даний момент розробка методів визначення екологічного енергопотенціалу практично не ведеться, але очевидно, що розвиток гідроенергетики без детальних екологічних експертиз гідроенергетичних проектів може підірвати і без того крихку екологічну рівновагу в світі.

Список літератури

Авакян А.Б. "Комплексне використання і охорона водних ресурсів", М: 1990.

Бабурін В.Н. "Гідроенергетика та комплексне використання водних ресурсів", М: Наука, 1986.

Велика Радянська Енциклопедія, М: Сов. Енциклопедія, 1971. - Том 6.

Гідроенергетичні ресурси СРСР, М: Наука, 1967.Краткая географічна енциклопедія, М: Сов. Енциклопедія, 1959. - Том 2.

обрізків В.І. "Гідроенергетика", підручник для ВНЗ, М: 1989.

Паливно-енергетичні ресурси капіталістичних країн, що розвиваються, М: Наука, 1978.

Енергетик, М: 1993, ј5.

Енергія, М: 1994, ј4.

Енергія, М: 1995, ј2.