В 1848 г. переехавший в США британский инженер Джеймс Френсис усовершенствовал гидравлическую машину, создав радиально-осевую «турбину Френсиса». Его математические методы расчета и чертежи позволили конструировать высокоэффективные турбины с учетом конкретных условий водяного потока. Турбина Френсиса и сейчас является самым распространенным типом гидротурбин.
Считается, что впервые энергия воды для производства электричества была использована английским промышленником Уильямом Армстронгом в 1878 г. Электростанция служила для питания единственной электродуговой лампы в его художественной галерее.
Первая «полноценная» электростанция была запущена в 1882 г. на Фокс-Ривер в городе Эплтон, штат Висконсин, США. К 1886 г. в США и Канаде работало уже 45 гидроэлектростанций. Стремительное развитие промышленности в сочетании с переходом на электрическое освещение на рубеже веков обусловили бум в гидроэнергетике. В 1889 г. число ГЭС в Северной Америке увеличилось до 200. Первая гидроэлектростанция в России была открыта в 1892 г.
Несмотря на то что гидроэнергетика общепризнанно рассматривается в качестве важного средства, обеспечивающего экономическое развитие без загрязнения атмосферы выбросами углекислого газа, пик ее значимости для мирового энергоснабжения пройден уже давно. Привязка к географическому положению и соответствующее постепенное исчерпание гидроэнергетического потенциала, необходимость в большинстве случаев вывода из оборота земель и переселения жителей, сложность проектирования (географические и геологические условия в каждом случае уникальны), масштабные риски проектных и строительных ошибок, длительные сроки строительства – эти обстоятельства привели к уменьшению доли ГЭС в пользу других форм энергетики (тепловой и атомной).
Если в 1920–1940-х гг. гидроэнергетика обеспечивала до 40 % производства электроэнергии в США, то в настоящее время ее доля составляет 6–8 %
[138]. В 1973 г. на гидроэнергетику приходилось 20,9 % мирового производства электричества, в 2012 г. – 16,2 %
[139]. В России гидроэлектростанции вырабатывают в настоящее время 16–18 % производимой в стране электроэнергии, что примерно соответствует общемировому уровню.
Гидроэнергетика важна не только для производства электроэнергии. Особый подвид ГЭС – гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) – выполняет важную функцию покрытия пиковых нагрузок электрической сети и ее стабилизации, о чем будет рассказано дальше в главе «Нестабильность ВИЭ и системы хранения энергии».
Издержки гидроэнергетики
Большая гидроэнергетика отличается высокой капиталоемкостью. Достаточно сложно и вряд ли целесообразно высчитывать среднемировой размер удельных капитальных затрат при возведении ГЭС, поскольку каждое строительство характеризуется своими уникальными географическими и технологическими условиями. При этом очевидно, что создание крупных плотин связано с колоссальными финансовыми и временными издержками (интересно, смог бы кто-нибудь подсчитать удельные капитальные затраты на сооружение, например, отечественной Бурейской ГЭС, которая строилась с 1976 по 2003 г.).
Данные Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA) дают большой разброс удельных капитальных затрат на строительство крупных гидроэлектростанций: $1050–7650 на киловатт установленной мощности
[140]. Министерство энергетики США приводит показатель $2963 на киловатт
[141] (для условной станции мощностью 0,5 ГВт). В России «считается, что удельные капитальные вложения в генерирующие мощности для крупных ГЭС в 1,5–2 раза выше, чем для тепловых угольных станций»
[142]. При этом последующая эксплуатация ГЭС и выработка энергии не связана с использованием углеводородного топлива, соответственно, себестоимость электроэнергии и приведенная стоимость производства электричества (LCOE) с учетом длительного срока службы станций находятся на достаточно низком уровне. Упомянутое выше исследование IRENA приводит также достаточно широкий интервал затрат $0,02–0,19 на произведенный киловатт-час.
Несмотря на возобновляемую природу, большая гидроэнергетика является довольно опасным занятием. Как, впрочем, любое крупное вмешательство человека в окружающую среду в попытке подчинить себе силы и энергию природы. Еще свежа в памяти страшная катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС, унесшая жизнь 75 человек. Но крупнейшей техногенной катастрофой является до сих пор прорыв дамбы Баньцяо в 1975 г. в Китае, количество жертв которой составило 171 000 человек
[143].
Кроме того, строительство крупных гидроэлектростанций во многих случаях влечет за собой значительные, но трудноизмеримые негативные экологические и социальные последствия. Достаточно легко подсчитать количество CO2, не попавшего в атмосферу в результате работы ГЭС, но весьма сложно оценить издержки экосистемы в целом.
После наполнения в 40-х гг. прошлого века чаши Рыбинского, крупнейшего на то время в мире, искусственного водохранилища ушла под воду и была изъята из хозяйственного оборота восьмая часть ярославской земли, в том числе 80 000 га лучших в Поволжье пойменных заливных лугов, травы которых по своему качеству не уступали травам с альпийских лугов, более 70 000 га веками возделываемой пашни, более 30 000 га высокопродуктивных пастбищ, более 250 000 га грибных и ягодных лесов
[144]. В прибрежной зоне изменился микроклимат – увеличилась сила и повторяемость ветров, весной водохранилище оказывает охлаждающее воздействие, осенью – отепляющее; вегетационный период сократился на 4–5 дней
[145].
При строительстве водохранилища пришлось переселить 130 000 человек, были затоплены сотни населенных пунктов, самым известных из которых являлся древний город Молога. Вместе с ним на дно искусственного моря погрузились многочисленные храмы, монастыри, памятники истории и культуры.
Крупнейшее в истории «переселение народов» в связи со строительством ГЭС произошло в Китае при возведении самой большой в мире электростанции «Три ущелья» (установленная мощность: 22,5 ГВт, строительство завершено в 2012 г.). Оно затронуло более 1,2 млн человек.
