Гидроэлектростанция (ГЭС) — это электростанция, использующая энергию водного потока для преобразования её в электрическую энергию. Гидроэнергетика является второй по значимости отраслью электроэнергетики России после тепловой энергетики, обеспечивая около 17–18% от общей выработки электроэнергии в стране, при этом занимая 20% установленной мощности ЕЭС России.
Принцип работы ГЭС
Работа ГЭС основана на двойном преобразовании энергии:
- Преобразование потенциальной энергии воды в кинетическую — вода, поднятая плотиной до определённой высоты (напор), обладает большой потенциальной энергией. При открытии водозабора вода под действием силы тяжести падает вниз, превращая потенциальную энергию в кинетическую энергию потока
- Преобразование кинетической энергии в механическую — поток воды под давлением поступает на лопасти гидротурбины, приводя её ротор в движение
- Преобразование механической энергии в электрическую — вращение вала турбины передаётся на гидрогенератор, который вырабатывает электрическую энергию
Непосредственное преобразование энергии без промежуточного преобразования в тепло делает ГЭС исключительно эффективными. После прохождения через турбину вода стекает в отводящий канал и продолжает путь по реке.
Типы гидротурбин
В зависимости от величины напора (высоты падения воды) применяются различные типы гидротурбин:
Активные турбины
- Ковшовые турбины — используются при очень высоких напорах (200 м и более). Рабочее колесо представляет собой диск с ковшами по периметру. Свободная струя воды из сопла попадает на ковши, создавая крутящий момент. Работают при атмосферном давлении в рабочем колесе
Реактивные турбины — рабочее колесо полностью погружено в поток воды
- Поворотнолопастные турбины — используются при низких и средних напорах (5–50 м). Лопасти можно поворачивать, регулируя расход воды и мощность станции
- Радиально-осевые турбины — применяются при средних и высоких напорах (30–300 м), обеспечивают хорошее регулирование
Большинство российских ГЭС оснащены реактивными турбинами. По ориентации вала турбины могут быть вертикальными (основной вариант на крупных станциях) или горизонтальными (часто используются на малых ГЭС).
Требуемые сооружения
Для функционирования ГЭС необходимы следующие компоненты:
- Плотина — гидротехническое сооружение, перекрывающее реку и создающее водохранилище
- Водохранилище — искусственное водное хранилище, обеспечивающее напор воды и регулирование стока
- Водозабор (водоприёмное сооружение) — входное сооружение, через которое вода поступает в напорный тракт
- Напорный тракт — система трубопроводов или туннелей, доставляющих воду от водозабора к турбинам
- Машинный зал — здание, где установлены гидротурбины и генераторы
- Отводящий канал — сооружение для отвода воды после прохождения через турбину обратно в реку
Классификация по типам напора и использования
Плотинные ГЭС — использующие напор, созданный плотиной и водохранилищем
Руслевые ГЭС — работающие на естественном напоре реки без или с минимальным водохранилищем
Деривационные ГЭС — использующие естественный напор, перенаправляя водный поток через канал (дериватион) к турбинам, находящимся на значительном расстоянии от реки
Мощность гидроэнергетики России
- Общая установленная мощность: 52,8 ГВт (включая ГАЭС)
- Количество станций: около 200 гидроэлектростанций (15 крупных мощностью более 1000 МВт, 34 средних мощностью 100–1000 МВт, 58 станций мощностью 10–100 МВт, около 90 малых станций менее 10 МВт)
- Количество ГАЭС: 3 гидроаккумулирующие электростанции
- Общий теоретический гидропотенциал: 2900 млрд кВт·ч годовой выработки
- Экономически целесообразный потенциал: 850 млрд кВт·ч
- Степень освоения: около 20%
Крупнейшие ГЭС России
По состоянию на 2019 год, крупнейшие гидроэлектростанции России:
| Ранг | ГЭС | Мощность, МВт | Река | Регион | Собственник |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Саяно-Шушенская | 6 400 | Енисей | Хакасия | РусГидро |
| 2 | Красноярская | 6 000 | Енисей | Красноярский край | Эн+ Генерация |
| 3 | Братская | 4 500 | Ангара | Иркутская область | Эн+ Генерация |
| 4 | Усть-Илимская | 3 840 | Ангара | Иркутская область | Эн+ Генерация |
| 5 | Богучанская | 2 997 | Ангара | Красноярский край | РусГидро/РУСАЛ |
| 6 | Волжская | 2 734 | Волга | Волгоградская область | РусГидро |
| 7 | Жигулёвская | 2 488 | Волга | Самарская область | РусГидро |
Около 50% всех мощностей гидроэлектростанций России сосредоточено на реках Сибири, прежде всего на Енисее и Ангаре.
Основные эксплуатанты
- ПАО «РусГидро» — 30,2 ГВт (около 60% от всей гидромощности)
- АО «Эн+ Генерация» — 15,1 ГВт
- ПАО «ТГК-1» — 2,9 ГВт
- АО «Татэнерго» — 1 ГВт
- АО «Норильско-Таймырская энергетическая компания» — 1 ГВт
Преимущества ГЭС
Экономичность — ГЭС характеризуется низкой себестоимостью производства электроэнергии благодаря отсутствию топливных затрат и небольшому числу персонала.
Экологичность — ГЭС не производят выбросов вредных веществ. Выработка электроэнергии на ГЭС предотвращает сжигание около 60 млн тонн условного топлива в год и соответствующие выбросы парникового газа CO₂.
Маневренность — ГЭС могут очень быстро изменять свою мощность (буквально за минуты), что позволяет им покрывать пиковую часть графика нагрузок и обеспечивать стабильность энергосистемы при сбоях. Это особенно важно в условиях растущей доли переменных возобновляемых источников (ветра и солнца).
Многофункциональность — водохранилища ГЭС обеспечивают:
- Водоснабжение населённых пунктов и промышленных предприятий
- Ирригацию сельскохозяйственных земель
- Защиту от наводнений
- Крупнотоннажное судоходство (особенно на Волге и Каме)
- Рекреационные функции (туризм, отдых)
Перспективы развития
Согласно плану развития на период до 2042 года:
- Планируемый ввод мощностей: 7,8 ГВт, в том числе:
- 4,2 ГВт гидроэлектростанций
- 3,5 ГВт гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС)
- Целевая мощность к 2042 году: 61 ГВт
- Приоритетные направления: Сибирь и Дальний Восток
- Ключевые проекты на ближайшие сроки:
- Тельмамская ГЭС
- Мокская ГЭС
- Нижне-Зейская ГЭС (Амурская область)
- Ленинградская ГАЭС (Европейская часть)
- Балаклавская ГАЭС
- Лабинская ГАЭС
На ГЭС возложена особая роль в балансировании энергосистемы при растущей доле солнечной и ветровой генерации, выработка которых зависит от погодных условий.
История гидроэнергетики в России
Первые гидроэлектростанции в России появились в конце XIX века:
- 1892 год — Берёзовская ГЭС мощностью 150 кВ (первая отечественной конструкции)
- 1897 год — Садонская ГЭС мощностью 550 кВ
- 1896 год — ГЭС на р. Охте для энергоснабжения Охтенского порохового завода в Петербурге
- К 1915 году — на Ленских золотых приисках функционировала закольцованная энергосистема из пяти ГЭС и одной ТЭС общей мощностью 2,8 МВт
По состоянию на 1 января 2025 года, гидроэлектростанции остаются жизненно важным компонентом энергосистемы России, обеспечивая не только электроэнергию, но и множество других социально-экономических функций.