Гідроенергія

Енергія рухомої води здавна використовувалась для приведення в обертання лопатевих (водяних) коліс та турбін. Вода була одним з перших джерел енергії, освоєних людиною, а першою машиною, за допомогою якої енергія спрямовувалась на потреби людини, було водяне колесо. Понад 2000 років тому на Близькому Сході вже користувалися водяним колесом у вигляді вала з лопатками: потік води, відведений зі струмка або річки, тиснув на лопатки, передаючи їм свою кінетичну енергію. Лопатки рухалися, а оскільки вони були жорстко скріплені з валом, то обертався вал. До останнього, у свою чергу прикріплювалося млинове жорно, яке разом з валом оберталося відносно нерухомого нижнього жорна. Саме так працювали перші «механізовані» млини для зерна. Але їх споруджували лише у гірських районах, де річки і струмки мали великі перепади висот та швидкості потоків.

У 30-х роках XIX століття енергію води стали використовувати у річковому транспорті для переміщення барж похилими каналами між водними руслами, що розташовувались на різних рівнях, прикладом якого є чинний до сьогодні Ельблонзький канал (Польща).

Вода, яку ще у стародавні часи використовували для виконання механічної роботи, досі залишається ефективним джерелом енергії, тепер вже електричної. Енергія падаючої води, що обертає водяне колесо, спочатку служила безпосередньо джерелом енергії для розмелювання зерна, розпилювання деревини, урухомлення молотів у кузнях чи виробництва тканин. Однак такі млини і лісопильні на річках стали втрачати популярність, коли у середині XIX ст. почалося виробництво електричної енергії з використанням енергії водоспадів.

На сучасній гідроелектростанції (ГЕС) маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода тече через захисну сітку і регульований затвор сталевим трубопроводом до турбіни, над якою встановлений генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генератору і там перетворюється в електричну. Після цього вода стікає в річку через тунель, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість. За потужністю ГЕС поділяють на дрібні (із встановленою потужністю до 0,2 МВт), малі (до 2 МВт), середні (до 20 МВт) і великі (понад 20 МВт); за напором — на низьконапірні (напір до 10 м), середнього напору (до 100 м) і високонапірні (понад 100 м). В окремих випадках греблі високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Вони зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду та піднімаючи її рівень. У турбіні вода змінює поступальний рух на обертальний, що передається ротору генератора електричного струму. На типових ГЕС коефіцієнт корисної дії нерідко досягає 60…70 %, тобто 60…70 % енергії спадної води перетворюється на електричну.

Першоджерелом енергії води є Сонце, що випаровує воду з океанів, морів і річок. Водяна пара конденсується у вигляді дощу, випадає у підвищених місцевостях і стікає вниз до моря. Гідростанції будують на шляху цього стоку для перехоплення енергії руху води — енергії, яка в іншому випадку була б витрачена на перенесення відкладів до моря.

Джерело енергії води оцінюється величиною доступної потужності, тобто енергії, що надходить за одиницю часу. При використанні води, що спадає з певної висоти доступна потужність пов'язана із гідравлічним перепадом висот, витратою води та швидкістю її руху. У випадку, коли вода тече із водосховища чи озера гідравлічним перепадом є різниця рівнів між дзеркалом водної поверхні верхнього накопичувача води та виходом турбіни і гідростатичний тиск у нижній частині, що спричиняється висотою стовпа води.

Потенціальна енергія ${\displaystyle E}$, що вивільняється при падінні тіла масою ${\displaystyle m}$ з висоти ${\displaystyle h}$ в умовах гравітації з прискоренням вільного падіння ${\displaystyle g}$ буде становити

${\displaystyle E=mgh}$.

ГЕС використовує енергію, що вивільняється під час контрольованого спаду води із певної висоти. Енергія, яка вивільняється за певний час ${\displaystyle t}$ залежить від кількості води що пройшла за цей час:

${\displaystyle {\frac {E}{t}}={\frac {m}{t}}gh}$.

Замінивши символом потужності ${\displaystyle P}$ відношення ${\displaystyle E/t}$ та виразивши відношення ${\displaystyle m/t}$ через витрату і густину води, отримаємо вираз:

${\displaystyle P=\rho Qgh}$,

де ${\displaystyle Q}$ — об'ємна витрата води (об'єм води, що протікає за одиницю часу), ${\displaystyle \rho }$ — густина води.

У системі SI густина ${\displaystyle \rho }$ має розмірність кг/м³, об'ємна витрата ${\displaystyle Q}$ — м³/с, прискорення вільного падіння ${\displaystyle g}$ — м/с², висота ${\displaystyle h}$ вимірюється у метрах а потужність ${\displaystyle P}$ у Ватах.

Деякі види водяних коліс, наприклад нижньобійне, використовують енергію потоку води, не вимагаючи великого гідравлічного перепаду. У цьому випадку використовується кінетична енергія потоку води. Теоретично максимальна потужність такого джерела становить:

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}\rho Qv^{2}}$,

де ${\displaystyle v}$ — середня швидкість потоку води (м/с). Така віддача у реальних умовах є недосяжною, так як відбір усієї кінетичної енергії води означав би її зупинку. Фактично доступна потужність зумовлюється ступенем сповільнення потоку через колесо (різниці середньої швидкості потоку безпосередньо перед і за колесом).

Водяні колеса наливне (верхньобійне) та середньобійне використовують як потенціальну так і кінетичну енергію струменя води.

У багатьох країнах використання водної енергії привертає увагу прихильників захисту довкілля, що неминуче приводить до нових природоохоронних затрат, в результаті чого електроенергія, отримана таким способом не завжди є дешевшою.

Розглянемо деякі негативні наслідки для природи, пов'язані із спорудженням гребель на річках.

Коли течія річки сповільнюється, як це звичайно відбувається при потраплянні її вод у водоймище, завислий осад починає опускатися на дно. Нижче водоймища чиста вода, потрапляючи у річку, набагато швидше розмиває річкові береги, ніби захоплюючи той обсяг осадів, який був втрачений у водоймищі. Отже, посилення ерозії й абразії берегів нижче від водоймища — звичайне явище.

Дно водоймища поступово вкривається шаром осадів, який періодично виступає на поверхню або знову затопляється, коли рівень води падає і піднімається в результаті скидання води чи її припливу. З часом осадів накопичується стільки, що вони починають займати значну частину корисного об'єму водоймища. Це означає, що водоймище, споруджене для збереження запасів води чи контролю за повенями, поступово втрачає свою ефективність. Нагромадженню великої кількості осадів у водоймищі можна частково запобігти, якщо здійснювати регулярний контроль за кількістю уламкового матеріалу, знесеного потоками води.

Є й інша проблема: після заповнення водоймища під водою виявляються цінні землі, що втрачаються назавжди. Зникають також цінні тварини і рослини, причому не тільки сухопутні; риби, що населяють перегороджену греблею річку, теж можуть зникнути, оскільки гребля перепиняє шлях до місць їхнього нересту.

Крім цього, у певні періоди якість води у водоймищі і, відповідно, якість води, що випускається з нього, може бути дуже низькою. Протягом літа й осені нижні шари води у водоймищі збіднюються на кисень, що зумовлено одночасним впливом двох процесів: неповним перемішуванням води та бактеріальним розкладом відмерлих рослин у донних шарах, що вимагає великої кількості кисню. Коли ця бідна на кисень вода випускається з водоймища, насамперед потерпають риби та інші водні організми нижче за течією.

Не зважаючи на все це, переваги ГЕС очевидні — постійно відновний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення довкілля.

Характерними особливостями річкових вод є їх щорічне відновлення. Річковий стік формується за рахунок опадів, які випадають на поверхню суші. Частина цих опадів скочується у річки і зветься поверхневим стоком річок, інша частина опадів просочується у ґрунт, формуючи запаси підземних вод. Відношення стоку до опадів зветься коефіцієнтом стоку η. Кількість опадів обумовлюється енергією сонячного випромінювання. Інтенсивність випромінювання Сонця складає 3,846·10²⁶ Вт = 3,846·10¹⁷ ГВт. Земна атмосфера перехоплює приблизно одну мільйонну частину випромінювання Сонця, або 4·10¹¹ ГВт. На опади перетворюється ~ 200000 ГВт. Світовий гідроенергетичний потенціал сягає ~ 50 000 ГВт і майже у чотири рази перевищує сумарне виробництво всіх електростанцій світу (14000 ГВт). Реальний (технічно доступний та економічно доцільний) потенціал водного ресурсу відповідає потужності (10 000…20 000) ГВт згідно з даними ООН. Якщо врахувати, що встановлені ГЕС світу мають сумарну потужність 1211 ГВт (сьогодні у світі задіяно лише близько 10 % технічно доступного та економічно доцільного гідрологічного потенціалу), в осяжному майбутньому потужність ГЕС може скласти (2000…3000) ГВт. 

Валовий теоретичний гідроенергетичний потенціал річок світу оцінюється в 39100 млрд кВт.год[2].

Технічний гідроенергетичний потенціал характеризує ту частину водної енергії, яку можна використати технічно. При визначенні технічного гідроенергетичного потенціалу враховуються всі втрати, пов'язані з виробництвом електроенергії, включаючи неможливість повного використання стоку, що викликана недостатньою ємністю водоймищ і обмеженням потужності ГЕС, у зв'язку з обмеженим використанням верхових і низових ділянок річок з малою потенційною потужністю, втратами на випаровування з поверхні водоймищ та на фільтрацію з водоймищ, втратами напору й потужності в проточному тракті й енергетичному устаткуванні ГЕС.

Економічно ефективний гідроенергетичний потенціал визначає ту частину технічного потенціалу, яку в цей час економічно доцільно використовувати. Слід зазначити умовність визначення економічно ефективного потенціалу, тому що він базується на техніко-економічному порівнянні з альтернативними джерелами електроенергії, якими виступають теплові електростанції, і не враховує досить повно ефективність комплексного використання водних ресурсів. Крім того, у зв'язку з ростом вартості органічного палива, а також збільшенням вартості будівництва ТЕС з урахуванням жорсткості вимог до охорони довкілля й іншим можна прогнозувати збільшення в перспективі економічно ефективного потенціалу, який буде наближатися до технічного гідроенергетичного потенціалу.

Світовий технічний гідроенергетичний потенціал (на рівні 2008 р.) оцінюється в 14650 млрд кВт·год, а економічно ефективний — у 8770 млрд кВт·год[2].

В Україні економічно ефективний гідроенергетичний потенціал використаний на 60 %[2].

В останні десятиріччя проводяться широкомасштабні дослідження практичного використання значного потенціалу течій в морях і океанах, які поділяють на неперіодичні, мусонні (пасатні) й припливновідпливні. З них в першу чергу розглядається можливість використання енергії головних неперіодичних течій (Гольфстрим, Куросіо та ін.), сумарний енергетичний потенціал яких за різними методиками оцінюється від 5 до 300 млрд кВт[3].

Досвід експлуатації висвітлив переваги, проте, засвідчив і суттєві вади наявних гідроелектростанцій. Так як енергетичні перетворення у системах відбуваються за допомогою масивних рухомих елементів (роторів), це обумовлює їх високуінерційність та необхідність періодичного обслуговування протягом всього строку експлуатації.

З іншої сторони, наявні ГЕС, зазвичай, є системами непрямої дії. Вони потребують подвійного і, навіть, потрійного проміжного перетворенняенергії.Наприклад, у гідроелектростанціях механічна кінетична енергія водяного абоповітряного потоку спочатку обертається у кінетичну енергію роторів гідро- тавітротурбін. Внаслідок перехідних енергетичних трансформацій схеми електростанційускладнюються, і знижується їх виробнича ефективність (коефіцієнт корисної дії).

На додаток, велетенські енергетичні об'єкти породжують суттєві екологічні проблеми. Значні капіталовкладення у фундаментальні таприкладні дослідження дозволили кількісно накопичити нові знання, втім, до цього часу не забезпечили якісного прориву у створенні енергоефективних та доступних систем відновлюваної енергії. І в подальшому можливості підвищення енергоефективності макроскопічних систембудуть звужуватись через невідповідність якості конструктивних матеріалів умовам їх використання.

Розрахунки свідчать, навіть прогрес у створенні енергетичнихперетворювачів, окремі удосконалення як то безгреблеві гідроелектростанції на основі напівзанурених тазанурених гідротурбін; вітротурбінні гідроакумулювальні електростанції, кількісне їх нарощування не в змозі кардинально вирішити назрілі проблеми макроскопічної енергетики в рамках класичних положеньгідромеханіки та термодинаміки.

Гідравлічні ресурси, які живлять роботу гідроелектростанцій, є також обмеженими і часто географічновіддаленими від місць споживання. Регулярні гідрометричні спостереженнязасвідчують рекордно низький приплив вод на річках та обмілінняводосховищу різних частинах світу. Все частіше виникають проблемиводозабезпеченняпосушливих регіонів. Більшість кліматичних моделей вказують на зменшення у найближчі три десятиліття водності річок Центральної Європи, басейну Середземного моря, Центральної Америки та Бразилії.  Зміни водного режиму річок уже сьогодні негативно відбиваються на стані пов'язанихгалузей економіки. У повідомленні Національної енергетичної компанії «Укренерго» йдеться про низькуводність річки Дніпро. Через низький приплив вод на річках дніпровського басейнупорушується стан екосистеми, акоефіцієнт використання встановленої потужностіГЕС складає всього 30-40 %.  Наявні макроенергетичні технології не забезпечують високого рівня використання гідрологічних ресурсів, нерідко звужують технічно доступний та економічно доцільний гідрологічний потенціал. Для об'єднаної енергосистеми України виникає загроза втрати регулюючих та маневровихпотужностей гідроелектростанцій. Під великим питанням залишається побудова в Україні нових потужностей, оскільки запаси вільних гідроресурсів катастрофічно вичерпуються, як не стало їх задовго до цього і в країнах Європейського Союзу.

Вочевидь, наявні макроскопічні технології енергетики, у тому числі,відновлюваної, не милують око різноманіттям і технічними рішеннями. Водні ресурси, які ми уловлюємо за допомогою існуючих технологій, при уважному розгляді також виявилися не такими безкрайніми, як спершу здалося. Клімат на Землі, як і вся природа. перероджується. Рікизмінюють своє русло, міліють або ж і повністю пересихають.

Для того щоб задовольнити потреби суспільства в електричній енергії, наявнихресурсів, вочевидь, недостатньо. Не відповідають вони повною мірою і вимогамсталого розвитку. Магістральним шляхом подолання проблем розвитку галузі є удосконалення існуючих та створення принципово нових технологій виробництва кінцевої електричної енергії із застосуванням глибинних енергетичних перетворень, які б дозволили використовувати новітні джерела відновлюваної енергії а також раніше технічно недоступний та економічно недоцільний енергетичний потенціал.

Альтернативою макроскопічній гідроенергетиці може стати молекулярна гідроенергетика.[4]

Детельніше: Молекулярна гідроенергетика

Молекулярна гідроенергетика (англ. molecular hydropower) — наука і галузь, складова частина молекулярної енергетики, яка вивчає та використовує відновлювані енергетичні властивості молекул, атомів, йонів, інших малих частинок рідинногосередовища, взаємодію цих частинок між собою, з іншими тілами а також зелектричними та магнітними полями з метою вироблення, накопичення, розподілу та використання електричної енергії.

Молекулярна система виробництва електричного струму розгалуженого річища на основі об'ємних флюїдорушійних модулів.

Молекулярна система виробництва електричного струму розгалуженого річища на основі об'ємних флюїдорушійних модулів. Молекулярна гідроенергетика є також складовою частиною класичної гідроенергетики, в основі якої лежать законигідродинаміки, що описують рухнестисливої рідини та її взаємодію з твердими тілами, а також законигідростатики, що оцінюють рівновагу рідини та її дію на занурені в нею тіла. Тож, в розрахунках параметрів та характеристик систем молекулярної гідроенергетики поряд з енергетичними характеристиками малих частинок, всередині та на кордоні фаз, як правило, застосовуються такожмакроскопічніпараметри (швидкість, тиск, густина) потоків рідини.

Ефективне перетворення та вивільнення енергії молекул, атомів, йонів та інших частинок рідини, скажімо, води або водних розчинів (електролітів), може бути здійснено за допомогою фізичних та хімічних поверхневих явищ, які виникають на межі фаз, зокрема, змочування, адгезії, когезії, капілярного ефекту, адсорбції,  абсорбції тощо. Поряд з вище названими явищами для створення молекулярних технологій та систем гідроенергетики застосовні також фізичні явищаелектрокінетики, осмосу, електродіалізу,магнітогідродинаміки в рідинах та їхрозчинах, а ще поєднання цих ефектів. Звідсіля витікає і поділ молекулярної енергетики складові:

• гідроенергетика міжфазної поверхні;
• електрокінетична гідроенергетика;
• гідроенергетика градієнта солоності;
• магнітогідродинамічна гідроенергетика тощо.

Фізичні та хімічні явища лежать також в основі класифікації технологій та систем молекулярної гідроенергетики:

• гідроадгезійні технології та системи міжфазної поверхні на основі позитивного термодинамічного p-потенціалу Гіббза;
• гідроабсорбційні технології та системи міжфазної поверхні на основі негативного термодинамічного n-потенціалу Гіббза;
• електрокінетичні технології та системи молекулярної гідроенергетики;
• осмотичні технології та системи гідроенергетики градієнта солоності (технології та системи забарного осмосу);
• електродіалізні технології та системи гідроенергетики градієнта солоності;
• магнітогідродинамічні технології та системи молекулярної гідроенергетики тощо.

Класифікація молекулярних технологій та систем гідроенергетики є умовною, бо на практиці вони нерідко інтегруються.

• Гідроенергетика
• Гідроелектростанція
• Водяне колесо
• Водяна турбіна

• Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Кн. 5 : Електроенергетика та охорона навколишнього середовища. Функціонування енергетики в сучасному світі / Т. О. Бурячок, З. Ю. Буцьо, Г. Б. Варламов, С. В. Дубовськой, В. А. Жовтянський; Наук. ред. В. Н. Клименко, Ю. О. Ландау, І. Я. Сігал. — 2013. — 390 с. — ISBN 978-966-8163-18-0
• Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Кн. 2: Пізнання й досвід — шлях до сучасної енергетики / Є. Т. Базеєв, Г. Б. Варламов, І. А. Вольчин, С. В. Казанський, Л. О. Кесова; Наук. ред. Ю. О. Ландау, І. Я. Сігал, С. В. Дубовськой.– 2013.– 326 с. — ISBN 966-8163-11-7Сидоров В. І. Технології гідро- та вітроенергетики. — Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. — 166 с.
• Сидоров В. І. Технології гідро- та вітроенергетики. — Черкаси: Вертикаль, видавець Кандич С. Г., 2016. — 166 с.