Початковий етап розвитку гідроенергетики (кінець ХІХ–початок ХХ ст.)

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 [16]

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 [12].

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 Діксанс (Швейцарія).

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

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 [17].

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.

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» [4].

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 [1].

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 [19].

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. [8].

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.

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.

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 [6].

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.

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.

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 [9].

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 [18].

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).

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. [13].

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.

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 [2].

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 [20].

РОЗДІЛ 2. СУЧАСНИЙ СТАН ГІДРОЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

2.1. Потенціал гідроенергетики України та стан його використання

Основою електроенергетики країни є ОЕС України, яка завдяки системоутворюючим й регіональним розподільчим лініям електропередач поєднує у єдиний технологічний комплекс виробників та споживачів електроенергії, централізовано постачає електроенергію внутрішнім споживачам, забезпечує експорт і транзит електроенергії [2].

Загальна встановлена потужність електрогенеруючих станцій України на кінець 2013 р. склала 54,5 ГВт, з яких 51 % припадає на теплові електростанції (ТЕС), 25 % на атомні електростанції (АЕС), 10 % на гідроелектростанції (ГЕС) і гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС), 12 %   на теплоелектроцентралі (ТЕЦ), блок-станції й інші об'єкти, біля 2 % на відновлювальну енергетику (СЕС, ВЕС). При цьому з урахуванням законсервованих блоків і блоків, які перебувають на реконструкції встановлена потужність готових до експлуатації блоків становить 50 ГВт). Загальна структура генеруючих потужностей ОЕС України наведена на рис. 1.

Рис. 2.1.1 Встановлена потужність генеруючого обладнання ОЕС України станом на 31 грудня 2013 року

Встановлена потужність ГЕС та ГАЕС в ОЕС України у 2013 році складає біля 5500 МВт. Більшість із яких понад 4922 МВт (101 гідроагрегат), належить ПАТ «Укргідроенерго», річний виробіток електроенергії якої перевищує 10 млрд кВт·год.

Оператором основних гідроенергетичних потужностей є ПАТ «Укргідроенерго» гідрогенеруюча компанія України, до складу якої входять дев’ять станцій на річках Дніпро та Дністер. Гідроенергетичні потужності розміщуються на ГЕС Дніпровського (3940 МВт), Дністровського (744 МВт) каскадів і на діючих малих ГЕС (до 100 МВт). Експлуатуються Київська ГАЕС (235 МВт), два агрегати Ташлицької ГАЕС (302 МВт) та перша черга Дністровської ГАЕС (302 МВт) [14].

Загальний гідроенергетичний потенціал України складає понад 44 млрд кВт·год. (в тому числі малих ГЕС приблизно 3,0 млрд кВт·год.). На сьогодні економічно ефективний потенціал становить близько 17,5 млрд кВт·год., з них вже використовується близько 11 млрд кВт·год. (більше 60 %). Таким чином, невикористаний ефективний потенціал становить близько 6,5 млрд. кВт·год. [3]

У той же час слід зазначити, що гідроенергетичний потенціал Дніпра переважно вичерпаний (рис.2).

Рис. 2.1.2 Каскад гідроелектростанцій на р. Дніпро.

Окрім того, інтенсивна експлуатація, протягом десятків років, Дніпровських ГЕС має свої наслідки. Фізично та морально застаріле обладнання має низький (у порівнянні із сучасним) коефіцієнт корисної дії (ККД), не забезпечує підтримку необхідних параметрів регулювання, здійснює значний вплив на довкілля. Відтак збільшення потенціалу Дніпровського каскаду ГЕС можливе і необхідне, за рахунок переважно реабілітації існуючого та встановлення нового із більшою продуктивністю гідро- та електроустаткування.

ПАТ «Укргідроенерго» з 1996 року активно співпрацює із міжнародними фінансовими організаціями (МФО) з метою залучення коштів для реконструкції гідроелектростанцій. Завдяки реалізації проектів передбачається подовження терміну експлуатації ГЕС на 30-40 років, а потужність ГЕС збільшиться на понад 250 МВт, на 3,7-4,5 % зросте коефіцієнт корисної дії гідроагрегатів, ефективність виробітку електроенергії та її якість, а також істотно підвищиться безпека експлуатації об’єктів [13].

Протягом 1995-2005 рр. здійснено 1-й етап реконструкції ГЕС Дніпровського каскаду (із залученням кредиту Світового банку та Гранту Уряду Швейцарії). Було  модернізовано  16  гідроагрегатів  за  кредитні  та 10 гідроагрегатів за кошти компанії. Реалізація першого етапу реконструкції ГЕС довела високу економічну ефективність. Збільшення потужностей становило 89,5 МВт.