Владимир Сидорович - Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир

Человек использует энергию воды с незапамятных времен. В Древней Индии строились водяные мельницы и водяные колеса, в Римской империи водяные мельницы использовались не только для помола зерна, но и для распиловки дерева и камня. В Китае водяные мельницы были известны еще во времена династии Хань (со II в. до н. э.).

В 1753 г. французский генерал-изобретатель Бернар де Белидор опубликовал Architecture Hydraulique, труд, где описывался принцип работы вертикально– и горизонтально-осевых гидравлических машин, которые впоследствии стали сочетать с электрическим генератором после его разработки в XIX веке. В 1767 г. английский инженер Джон Смитон создал первое водяное колесо из чугуна.

Основы современной гидроэнергетики были заложены еще в первой половине XIX века, когда была разработана и описана водяная турбина. В 1837 г. русский изобретатель Игнатий Сафонов создал первый в России двигатель нового типа, водяную турбину. Она имела КПД 0,53, который впоследствии увеличили до 0,70 в промышленных образцах. Одновременно с Сафоновым разработку вел французский инженер Фурнерон, представивший в 1834 г. первый работающий образец своей водяной турбины.

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] http://energy.gov/eere/water/history-hydropower . В 1973 г. на гидроэнергетику приходилось 20,9 % мирового производства электричества, в 2012 г. – 16,2 % [139] IEA, 2014 Key World Energy Statistics, p. 24. . 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».

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] IRENA Working Paper. Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series, Volume 1: Power Sector, Issue 3/5, Hydropower, June 2012. . Министерство энергетики США приводит показатель $2963 на киловатт [141] U. S. Energy Information Administration. Updated Capital Cost Estimates for Utility Scale Electricity Generation Plants, April 2013, p.6 (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] Любимова Е. В., «Мифы энергетики» // «Эко». 2011. № 5. С. 137. . 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.