Вода испаряется с поверхности океана, выпадает дождём и снегом в горах и стекает обратно к морю. Этот круговорот поддерживает Солнце, и на всём пути вниз вода несёт запас энергии, поднятой вместе с ней. Человек научился забирать часть этой энергии задолго до появления электричества.
От водяного колеса к турбине
Водяные колёса знали уже в античном мире. В Средние века они приводили в движение мельницы, кузнечные молоты, лесопилки, мехи плавильных печей. Многие старые промышленные города выросли на реках именно поэтому.
В XIX веке на смену колесу пришла турбина — компактное устройство, в котором вода проходит сквозь лопатки и отдаёт им гораздо большую долю энергии. Когда появились генераторы, их соединили с турбинами, и в 1880-х годах заработали первые гидроэлектростанции. Сегодня реки дают примерно шестую часть всего электричества в мире — больше, чем любой другой возобновляемый источник.
Напор и расход
Мощность станции определяют две величины: сколько воды проходит через турбины и с какой высоты она падает. Можно получить много энергии от большой равнинной реки с невысокой плотиной, а можно — от небольшого горного потока, если перепад высот составляет сотни метров.
Плотина решает сразу две задачи. Она создаёт напор и образует водохранилище, то есть запас. Весной и в дожди вода накапливается, зимой и в засуху — расходуется. Вода идёт по водоводам к турбинам, вращает их и уходит в нижнее течение. Современные гидротурбины превращают в электричество около девяти десятых энергии потока — лучше любой тепловой машины.
Важное свойство гидростанций — гибкость. Запустить турбину и вывести её на полную мощность можно за минуты, тогда как тепловым и атомным блокам на это нужны часы. Поэтому гидростанции часто покрывают утренние и вечерние пики потребления.
Станции, которые запасают энергию
На этом свойстве основаны гидроаккумулирующие станции. У них два водоёма на разной высоте. Ночью, когда электричества в сети избыток, насосы перекачивают воду наверх. Днём она спускается вниз через турбины. Часть энергии теряется, но возвращается около трёх четвертей. На такие станции приходится основная доля всех накопительных мощностей в мировой энергетике.
Приливы и волны
Море тоже движется, и здесь источник энергии другой — притяжение Луны и Солнца. Дважды в сутки уровень воды поднимается и опускается, в некоторых заливах на многие метры. Если перегородить такой залив плотиной с турбинами, получится приливная электростанция. Первые такие станции построили в 1960-х годах — во Франции и в СССР, на побережье Баренцева моря.
Приливы хороши тем, что предсказуемы на годы вперёд. Но подходящих мест немного, строительство в море дорого, а пик выработки сдвигается вслед за лунным циклом и не совпадает с распорядком потребления. Энергию волн и морских течений тоже пытаются использовать, но пока это в основном опытные установки.
Цена для реки
Гидроэнергию называют чистой, и при работе станция действительно ничего не сжигает. Но последствия у крупных плотин серьёзные.
- Затопление. Под водохранилища уходят леса, пашни, поселения, иногда памятники истории. Людей приходится переселять.
- Преграда для рыбы. Плотина отрезает проходным видам путь к нерестилищам. Рыбоходы помогают лишь отчасти.
- Изменение режима реки. Ил оседает в водохранилище и не доходит до низовьев, меняются паводки, температура воды, ледовая обстановка.
- Безопасность. Плотина — сооружение, требующее постоянного контроля; её разрушение чревато тяжёлыми последствиями ниже по течению.
Поэтому решение о строительстве всегда оказывается взвешиванием: энергия, защита от наводнений и вода для орошения на одной чаше, судьба реки и долины — на другой.
Старейший из возобновляемых
Гидроэнергетика даёт дешёвое электричество и умеет его запасать, но подходящие створы на многих реках уже заняты. Её рост теперь связан скорее с накопительными станциями и обновлением оборудования, чем с новыми гигантскими плотинами. Принцип же остался таким, каким был у мельника: вода течёт вниз, и на этом пути её можно заставить поработать.
