Гидроэнергетика в Беларуси

Содержание

Введение 

Данная тема была выбрана мной совершенно не случайно. Гидроэнергетика в наше время является одним из важных источников энергообеспечения многих стран. Что касается Беларуси, то здесь она занимает ведущие позиции, так как энергия, получаемая, за счет работы данных источников энергообеспечения относится к возобновляемым энергоресурсам. Так же некоторые из критериев, по которым данный вид добычи энергии стал весьма распространённым, это относительная безопасность (если рассматривать на примере АЭС), простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Данная тема бесспорно актуальна, ведь имеется множество стран, у которых собственные запасы органического топлива (газ, нефть, уголь) незначительны, выходом из этой ситуации может служить как раз добыча энергии традиционными способами, собственно при помощи гидравлической энергии рек. Для таких стран обычно величина экономического потенциала гидроэнергетики приближается к технически доступному.

1.История РАЗвития Гидроэнергетики

Человек всегда жил возле водоёмов и не мог  не обращать внимание на огромный потенциал воды как источника энергии. Поэтому история гидроэнергетики ведёт своё начало ещё с древних времён. Уже тогда люди научились с помощью воды производить помол зерна или дутьё воздуха при выплавке металла. Упоминание об использовании энергии воды на водяных мельницах относится  к концу II в. до н. э.При этом учёные склонны полагать, что использование воды происходило параллельно во многих регионах планеты.  
С течением столетий размеры и эффективность водяных колёс увеличились. В XI в. в Англии и Франции одна мельница приходилась на 250 человек. Древние греки использовали водяное колесо для облегчения некоторых видов тяжёлого ручного труда. Например, это приспособление осуществляло перемол зерна. 
Постепенно технологии совершенствовались, количество водяных колёс в европейских государствах неуклонно росло. Древние греки использовали водяное колесо для облегчения некоторых видов тяжёлого ручного труда. Например, это приспособление осуществляло перемол зерна. Постепенно технологии совершенствовались, количество водяных колёс в европейских государствах неуклонно росло, становились всё более эффективными. В это время сфера применения мельниц расширялась. 
 
В конце девятнадцатого века наступил современный этап в развитии гидроэнергетики.  Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году. В этом году русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский, эмигрировавший в Германию по причине «политической неблагонадёжности», должен был демонстрировать на электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне изобретённый им двигатель переменного тока. Этот двигатель мощностью около 100 киловатт в эпоху господства постоянного электрического тока сам по себе должен был стать гвоздём выставки, но изобретатель решил для его питания построить ещё и совершенно неожиданное по тем временам сооружение – гидроэлектростанцию. В небольшом городке Лауффен Доливо-Добровольский установил генератор трёхфазного тока, который вращала небольшая водяная турбина. Электрическая  энергия передавалась на территорию выставки по невероятно протяжённой для тех лет линий передачи длиной 175 километров (это сейчас линии передач длиной в тысячи километров никого не удивляют, тогда же подобное строительство  было единодушно признано невозможным). Всего за несколько лет до этого события виднейший английский инженер  и физик Осборн Рейнольдс в своих Канторовских лекциях  неопровержимо, казалось бы доказал, что при передаче энергии по средствам трансмиссии потери энергии составляют всего лишь 1,4% на милю, в то время как при передачи электрической энергии по проводам на такое же расстояние потери составят 6%. Опираясь на данные опытов, он сделал вывод о том, что при  использовании  электрического тока на другом конце линии передачи вряд ли удастся иметь более15-20% начальной мощности. В то же время, считал он, можно быть уверенным в том, что при передаче энергии приводным тросом сохранится 90% мощности. Этот «неоспоримый» вывод был успешно опровергнут практикой работы первенца гидроэнергетики в Лауффене. [2]

Но эра гидроэнергетики  тогда ещё не наступила. Преимущества гидроэлектростанций очевидны – постоянно  возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колёс мог бы оказать не малую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалось задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за турбиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объём гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. Поэтому в начале ХХ века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Это было лишь началом. Полномасштабное использование водных ресурсов началось только в двадцатом столетии, когда вода начала использоваться человеком для получения электричества. Именно в это время в мире начинается строительство крупных гидроэлектростанций. Освоение гидроэнергоресурсов осуществлялось быстрыми темпами, и в 30-е годы ХХ века была завершена реализация таких крупных проектов, как  ГЭС Гувер  в США мощностью 1,3 Гиговатт. Строительство подобных мощных ГЭС вызвало рост использования энергии в промышленно развитых странах, а это, в свою очередь, дало толчок программам освоения крупных гидроэнергетических потенциалов. 

В настоящее  время использование энергии  воды по-прежнему остается актуальным, а основным направлением является производство электроэнергии. В последние десятилетия в мировой энергетике возрождается интерес к малым ГЭС. Малая гидроэнергетика, как область энергетического строительства, переживает уже третий виток в истории своего развития. Признанных во всем мире критериев причисления ГЭС к категории малых не существует. В Беларуси сегодня предложено считать малыми ГЭС мощностью от 0,1 до 30 тыс. кВт. [1] 
 
Начало использования энергии рек Беларуси можно отнести к 12-13 вв. К началу 40-х годов 20-го века на территории Республики Беларусь насчитывалось около 1100 гидросиловых установок. В основном это были водяные мельницы, реже гидроэлектростанции малой мощности. Тем не менее данный вид получения энергии в Беларуси развит не достаточно хорошо. Только в конце 50-х годов прошлого столетия на реках и прудах страны работали более 180 малых ГЭС. [3] 
 

 
 
                      2. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА В БЕЛАРУСИ 
 
 
 
 Беларусь как государство, практически не имеющее собственных энергоносителей, стремится наращивать свой энергетический потенциал, повышает энергоэффективность экономики, делает ставку на развитие альтернативной энергетики, расширяет круг поставщиков энергетических ресурсов, увеличивает использование местных видов топлива.  В качестве альтернативной энергетики в Беларуси используются гидроэлектростанции (ГЭС). На территории Республики Беларусь мест для строительства столь крупных гидроэлектростанций нет. Все наши большие реки Днепр, Припять, Двина, Неман - текут на равнинах. Тем не менее, еще в советские времена, когда цены на углеродное топливо были на порядки ниже нынешних, ГЭС в БССР строили. Следовательно, определенный экономический потенциал у белорусской гидроэнергетики есть. Тем более что при постоянном подорожании природного газа любое замещение топливных носителей – несомненное благо. 
 
На начало 2004 года установленная мощность 21 ГЭС, входящих в концерн «Белэнерго», составила 10,9 МВт, а их годовая выработка электроэнергии - около 29 млн. кВт,ч, что позволяет заместить около 8 тыс. тонн  условного топлива. В то же время потенциальная мощность всех водотоков Беларуси составляет 850 МВт, в том числе технически доступная - 520 МВт, а экономически целесообразная - 250 МВт.  
 
По мнению главного специалиста концерна  «Белэнерго»  Владимира Кордуба, вполне вероятно, что на равнинную белорусскую землю придет и крупная гидроэнергетика. Развитие водного потенциала является одним из важнейших направлений возобновляемой энергетики в Беларуси. В настоящее время в стадии реализации находятся проекты по строительству Гродненской ГЭС установленной мощностью 17 МВт на реке Неман и Полоцкой ГЭС установленной мощностью 21,75 МВт на реке Западная Двина. Разработана проектно-сметная документация и объявлены конкурсные торги по строительству Нёманской ГЭС установленной мощностью 20 МВт на реке Неман и Витебской ГЭС установленной мощностью 40 МВт на реке Западная Двина. Выбраны створы гидроэлектростанций и проводится предпроектная проработка для строительства Верхнедвинской и Бешенковичской гидроэлектростанций на Западной Двине, а также Оршанской, Шкловской, Могилевской и Речицкой ГЭС на Днепре установленной суммарной мощностью около 80 МВт. В данный момент проводится работа с потенциальными инвесторами по реализации этих проектов на условиях прямого инвестирования.

Выработка электрической  энергии после реализации этих проектов составит около 800 млн.кВт.ч. Это позволит заместить 226 млн.куб.м импортируемого природного газа в год (эквивалентно использованию 255 тыс.тут в год).

Также по результатам предпроектной  проработки возможности максимального использования гидроэнергетического потенциала реки Днепр планируется продолжить проектные работы по строительству Могилевской (5 МВт), Шкловской (5 МВт), Оршанской (6 МВт) и Речицкой (5 МВт) гидроэлектростанций. Суммарная выработка указанных ГЭС может составить порядка 110 млн.кВт.ч (эквивалентно 30 тыс.тут). 
 
Уже сейчас обсуждаются различные варианты строительства больших ГЭС. В частности, согласно одному из проектов, Неманская ГЭС в Гродно сможет вырабатывать 81,2 млн. кВт·ч электроэнергии (мощность 17 МВт), что составляет примерно 15 % всей энергии, которую потребляет Гродненская область. А водохранилище при станции позволит увеличить запасы рыбы и объемы пресной воды.  
Однако окончательное решение о строительстве этой и других станций пока не принято.[4] 
 

3.ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ 

Имеются три  основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:  
1. плотинная схема, когда напор создается платиной;  
2. деривационная схема, когда напор создается посредствам деривации, осуществляемой виде канала, туннеля или трубопровода;  
3. плотинно-деревационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией. Плотины имеются во всех трех схемах.  
Плотинная схема  осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности.  
В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.  
Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с платиной входит в состав сооружений, создающих напор. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре.  
При средних и больших напорах, превышающих диаметр турбины более чем в 4-5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает полного давления воды. 
При деривационной схеме высота плотины может быть не большой. На рис. Приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор. Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или в деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.  
При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающего горный массив  или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли.  
В плотинно-деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е. может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже платины.[7]

4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ  ГЭС

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции  располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические  станции разделяются в зависимости  от вырабатываемой мощности. Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости  от максимального использования напора воды: высоконапорные — более 60 м; средненапорные — от 25 м; низконапорные — от 3 до 25 м.

В зависимости  от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.  
 
В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое. [5] 
 

5. ВЛИЯНИЕ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ОХРАНА ПРИРОДЫ 

Гидроэнергетические объекты оказывают существенное влияние на окружающую природную  среду. Это влияние является локальным. Однако сооружение каскадов крупных водохранилищ, намечая переброска части стока рек Сибири в Среднюю Азию и другие крупные водохозяйственные мероприятия могут изменить природные условия в региональном масштабе. При рассмотрении влияния гидроэнергетических объектов на окружающую среду необходимо различать период строительства гидроэнергетических объектов и период их эксплуатации. 
Первый период сравнительно кратковременный – несколько лет. В это время в районе строительства нарушается естественный ландшафт.  В связи с прокладкой дорог, постройкой промышленной базы и посёлка резко повышается уровень шума. Вода, используемая для разнообразных строительных работ, возвращается в реку с механическими примесями – частицами песка, глины и т. п. Возможно загрязнение воды коммунально-бытовыми стоками строительного посёлка. Подъём уровня воды в верхнем бьефе начинается обычно в период строительства. В результате производного при этом наполнении водохранилища изменяются расходы и уровни воды в нижнем бьефе. 
В период эксплуатации происходит разносторонне влияние гидроэнергетических объектов на окружающую среду. Наиболее существенное влияние на природу оказывают водохранилища: 
1.      Затопление в верхнем бьефе. Создание водохранилищ ведёт за собой затопление территории (см. рис. 9) В зону затопления могут попасть сельскохозяйственные угодья, месторождения полезных ископаемых, промышленные и гражданские сооружения, памятники старины, дороги,  лесные массивы, места постоянного обитания животных и растений и т. д. Наиболее заселены и освоены прирусловые участки реки и районы в устьях притоков. На склонах гор мало сельскохозяйственных угодий, обычно там отсутствуют промышленные объекты. Поэтому создание водохранилищ в горных условиях приносит значительно меньший ущерб, чем на равнинах.  
2.      Подтопление. Подтопление прилежащих к водохранилищу земель происходит вследствие подъёма уровня грунтовых вод. В зоне избыточного увлажнения подтопление влечёт за собой негативны последствия – переувлажнение корней растений и их отмирание. С изменением водно-воздушного режима почвы может произойти заболачивание и оглеение почв, что ухудшает качество почвы и снижает её продуктивность. В засушливых районах подтопление улучшает условия произрастания растений при соответствующих глубинах почвенных вод. В неблагоприятных условиях может происходить засоление почвы. 
3.      Переработка берегов. Вследствие подъёма и снижения уровня воды в водохранилище при регулировании стока и волновых явлений проходит переработка берегов водохранилища, Она заключается в размыве и обрушении крутых склонов, срезке мысов и кос. Размеры переработки берегов зависят от их геологического строения, режима уровней воды и глубины водохранилища, конфигурации берегов, господствующих ветров и т. п. Относительная стабилизация берегов  происходит через 5-20 лет после наполнения водохранилища. 
4.      Качество воды. Вследствие снижения скорости течения и уменьшения перемещения воды по глубине существенно изменяются физико-химические характеристики воды по отношению к бытовым условиям реки до создания водохранилища. На качество в годы в водохранилище влияет заселённость зоны затопления, видовой и возрастной состав леса, подлеска и лесной подстилки, наличие притоков, режим и глубина сработки водохранилища и т. п. Качество водыухудшают сточные воды промышленных, горнорудных и животноводческих комплексов, комунально-бытовые  сточные воды и вынос удобрений с сельскохозяйственных угодий. Для южных районов неприятным следствием перенасыщения воды в водохранилищах органическими и биогенными веществами(в основном ионами азота и фосфора) является бурное развитие в тёплой воде сине-зелёны водорослей. При создании водохранилищ необходимо тщательно изучить Совместное влияние всех факторов с учётом перспектив строительства каскадов ГЭС и принимать меры для поддержания качества воды. Качество воды – характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность её для конкретных видов водопользования.. Должна производиться тщательная очистка сточных вод, поступающих в водохранилище. Использовать прилегающие земли в сельском хозяйстве надо, применяя передовые методы агротехники, ограничивающие вынос удобрений в водохранилище. 
5.      Влияние водохранилищ на микроклимат. Водохранилища повышают влажность воздуха, изменяют ветровой режим прибрежной зоны, а также температурный и ледяной режим водотока. Это приводит к изменению природных условий, а также жизни и хозяйственной деятельности населения, обитания животных, рыб. Степень влияния крупных водохранилищ на микроклимат различна для отдельных регионов страны. Интегральное влияние, оказываемое акваторией на развитие растительности, благоприятно в условиях степной и лесостепной зоны и неблагоприятно в лесной. 
6.      Влияние водохранилищ на фауну. Многие животные из зоны затопления вынуждены мигрировать на территорию с более с высокими отметками. При этом видовой состав и численность животных значительно уменьшается. В ряде случаев водохранилища способствуют обогащению фауны новыми видами водоплавающих птиц и в особенности рыб: карасёвых, сазана, щуки и т. п. При ранней сработке водохранилища после весеннего половодья осушаются мелководья, что отрицательно влияет на нерест рыбы в верхнем бьефе. Глубокая зимняя сработка водохранилища в средней полосе страны может повлечь за собой замор рыбы на мелководных участках водохранилища. 
Также на окружающую среду влияют гидротехнические сооружения. Возведение платин гидроузлов приводит к подъёму уровней воды в верхнем бьефе и образованию водохранилищ. Плотины, перегораживающие реки затрудняют проход рыб к местам естественных нерестилищ в верховьях рек. Но платины, здания ГЭС шлюзы каналы и т. п., удачно вписанные в рельеф местности и хорошо архитектурно оформленные, создают вместе с акваторией верхнего бьефа монументальные и живописные ансамбли.  
Разрушения ГЭС при военных действиях приведёт к спуску воды водохранилища, возникновению волны высотой десятки метров, которая может уничтожить города, расположенные ниже ГЭС. Строительство ГЭС приводит к наведённой сейсмичности, в частности в США и Индии возникали землетрясения, разрушившие ГЭС.[6] 
Мероприятия по охране природы Производство работ по возведению гидроэнергетических объектов следует проектировать с минимальным ущербом природе. При разработке стройгенпланов необходимо рационально выбирать карьеры, месторасположение дорог и т. п.  К моменту завершения строительства должны быть проведены необходимые работы по рекультивации нарушения земель и озеленении территории. По водохранилищу наиболее  эффективным природоохранным мероприятием является инженерная защита. Например, строительство дамб обвалования уменьшает площадь затопления и сохраняет для хозяйственного использования земли, месторождения полезных ископаемых, уменьшает площадь мелководий и улучшает санитарные условия водохранилища, сохраняет природные естественные комплексы. Если постройка дамб экономически не оправдана, то мелководья могут быть использованы для разведения птиц и для других хозяйственных нужд. При поддержании необходимых уровней воды мелководья могут  быть использованы для рыбного хозяйства, как нерестилище и кормовая база.  
Для предотвращения или уменьшения переработки берегов производят берегоукрепления. Предприятия, железные дороги, жилые и комунально-бытовые постройки, памятники старины выносятся из зоны затопления. 
Для обеспечения высокого качества воды необходима санитарная очистка ложа водохранилища до его затопления водой. С этой целью производят агротехнические мероприятия для уменьшения загрязненного поверхностного стока и строятся очистные сооружения.  
В случаях необходимости организуются заповедники, заказники, отлов и перемещение животных, производятся лесопосадки. В целях рыборазведения создают искусственные нерестилища, нерестно-выростные хозяйства, строятся рыбопропускные сооружения для прохода рыбы на нерест из нижнего бьефа в верхний. Большие работы по инженерной защите проводятся в нижнем бьефе.