Вода и энергетика

От водяного колеса до гидравлической турбины. Водяное колесо было первой в истории человечества машиной, первым механическим двигателем. До его изобретения в качестве двигателя использовали крупных домашних животных - быков, лошадей. С помощью водяных колес в Древнем Египте, Ассирии, Китае и Индии поднимали воду в оросительных системах, а в Древней Греции и Риме приводили в движение мельницы.

Что представляло собой древнее водяное колесо?

В средние века в Западной Европе и на Руси конструкцию водяного колеса для водяных мельниц усовершенствовали: вместо того чтобы опускать нижнюю часть колеса в воду (так называемое нижнебойное колесо), воду стали подводить по желобу к верхней части колеса (верхнебойное колесо), отчего скорость вращения его и коэффициент полезного действия несколько увеличились. В период мануфактур, в 16-18 вв., водяные колеса широко применялись для привода молотов и мехов в кузницах, ткацких станков, лесопильных рам, откачки воды в шахтах, подъема руды и ее измельчения и др. К концу 18 в. в России было около 3000 мануфактур, использующих энергию воды в реках. К этому времени, например, были установлены на Кренгольмской мануфактуре на реке Нарове мощные водяные колеса диаметром 9,5 м, шириной 7,5 м, развивавшие мощность 500 л. с. при напоре 5 м.

Водяные колеса обладали рядом существенных недостатков? они были громоздкими, тихоходными, их мощность менялась в зависимости от режима водотока, располагать их надо было только у водотока и т. п. Поэтому-то, их быстро вытеснила паровая машина, изобретенная в 1765 г. И. И. Ползуновым в России и в 1769 г. Дж. Уаттом в Англии. Как и в водяном колесе, в паровой машине рабочим телом явилась вода, водяной пар.

В 19 в. французский инженер Б. Фурнерон изобрел, а американский гидротехник Дж. Френсис значительно усовершенствовал гидравлическую (водяную) турбину. В движение водяную турбину приводит энергия водного потока. Разница между турбиной и водяным колесом заключается в том, что воду подводят к турбине под значительным напором, иногда до 1000-1500 м, с помощью направляющего аппарата (например, в Пиренеях работает французская ГЭС Портильон с напором 1336 м). Турбины вращаются на вертикальной оси и обладают несравненно большей быстроходностью, чем водяные колеса (50-100 оборотов в минуту в зависимости от размеров турбины, большие турбины вращаются медленнее маленьких).

Как известно, все гидроэлектрические станции мира, от маленьких до самых крупных, превращают механическую энергию водного потока в электрическую исключительно с помощью водяных турбин с соединенными с ними электрогенераторами.

В настоящее время мощность ГЭС в СССР превышает 30 млн. Вт, составляя около 20% общей мощности электростанций в стране. СССР является самой богатой по запасам водных энергоресурсов страной в мире (экономический потенциал, т. е. практически возможный для использования объем гидроэнергоресурсов,- 095 млрд. кВт/ч), но они эксплуатируются лишь несколько более чем на 10%^*. Второе место занимают США (685 млрд. кВт/ч и 37% использования) и Бразилия (657 млрд. кВт/ч и 5% использования). Больше всего утилизированы гидроэнергоресурсы в Швейцарии (на 85%), Франции (75%), Канаде (70%). В Италии и Японии 60% одной энергии использовано на ГЭС.

^* (Процент использования гидроэнергоресурсов для всех стран указан по данным на 1965-1967 гг.)

Во Франции ГЭС производят половину всей электроэнергии, в Канаде 90%, а в Норвегии даже 99%.

Главное преимущество ГЭС перед тепловыми станциями (ТЭС), в которых используется энергия сжигаемого топлива,- это постоянное самовозобновление источника энергии; любая река при нормальных условиях эксплуатации может течь вечно и вращать турбины, пока существует круговорот воды в природе. К ГЭС не требуется подвозить ежедневно железнодорожные составы с углем, торфом, нефтью, стоимость их эксплуатации примерно в 4 раза дешевле, чем стоимость ТЭС, но зато на сооружение ГЭС затрачивается значительно больше средств, главным образом вследствие необходимости строить плотину. С другой стороны, плотина и водохранилище при ГЭС, особенно крупной, обычно "обслуживают" не только энергетиков, но и транспортников, ирригаторов, водоснабженцев, регулируют режим реки, уменьшают высоту паводков и опасность наводнений.

Мощность потока зависит от количества воды, которое он проносит через поперечное сечение в единицу времени, т. е. от расхода воды, и от высоты напора, т. е. той высоты, с которой вода падает на рабочее колесо турбины. Мощность водного потока выражается простой формулой

где Q - расход в кубических метрах в секунду, Я - напор в метрах. Коэффициент 10 (точнее 9,81) учитывает соотношение мощности, выраженной в килограммометрах в секунду и в киловаттах (75 кгм/с приравниваются 1 л. с, а 1 л. с. составляет 0,736 кВт).

Формула показывает, что одну и ту же мощность в потоке можно получить при большом расходе и малом напоре или, наоборот, при малом расходе и большом напоре. Другими словами, ГЭС, построенная на большой реке, допустим, со средним расходом воды 400 м³/с при невысокой плотине, скажем, высотой 10 м, будет иметь мощность 40 000 кВт, и такую же мощность разовьет гидростанция, на турбину которой будет подаваться (по трубопроводу) расход воды всего 4 м³/с, но с высоты 1000 м.

Любопытно, что мы, используя энергию падающей воды, в сущности, используем энергию всемирного тяготения - загадочного, никем не объясненного взаимодействия между любыми телами в природе, выражающегося в виде притяжения тел друг к другу. Всемирное тяготение пронизывает все пространство, но мы редко используем его - разве что, кроме ГЭС, на паровых кузнечных молотах, паровых копрах для забивки свай, в часах с гирями, в катках, укатывающих мостовую.

Впрочем, воду на ту высоту, с которой она падает на турбины, поднимает Солнце (испаряя ее), поэтому на гидростанциях мы пользуемся не только энергией всемирного тяготения, но и энергией солнечного тепла.

Приливные, геотермические и атомные электростанции. Разновидностью ГЭС являются приливные электростанции (ПЭС), которые также приводятся в действие энергией падающей воды. ПЭС строят не на реках, а в узких морских заливах, где амплитуда приливов не менее 4 м. Для ПЭС сооружается плотина, отделяющая залив от моря и создающая напор: во время прилива вода в море бывает выше, чем в отделенном плотиной заливе (энергетики называют его бассейном ПЭС), а во время отлива, наоборот, вода в заливе выше, чем в море. Однако вследствие смены прилива и отлива в какой-то момент уровень в море и в бассейне выравнивается, напор исчезает и станция перестает работать. Неблагоприятным для работы ПЭС является также небольшой напор и регулярные изменения его в течение месяца, обусловленные фазами луны. Кроме того, нормальную работу ПЭС могут нарушить нагонные и сгонные штормовые ветры. По всем этим причинам ПЭС приходится эксплуатировать не в отдельности, а лишь в единой системе с тепловыми и речными гидроэлектрическими станциями.

Идея использовать морские приливы как источник энергии была осуществлена много веков назад, до изобретения паровой машины; в Англии, Франции, Китае и других странах, расположенных на берегах морей, существовали мельницы, работавшие за счет разницы уровня воды во время прилива и отлива.

Первая в мире приливная электростанция мощностью 240 тыс. кВт была построена во Франции в устье реки Ране, в проливе Ла-Манш, близ Сен-Мало (1967 г.). В Ла-Манше приливы исключительно высоки, до 15 м (самые высокие бывают на Атлантическом побережье Канады, в заливе Фанди - 18 м). В СССР построена небольшая экспериментальная приливная станция мощностью 400 кВт, в Кислой губе около Мурманска. Проектируются мощные (свыше 10 млн. кВт) ПЭС в Мезенском заливе Белого моря, где высота приливов достигает 10 м, и в Пенжинском заливе Охотского моря, где амплитуда приливов 13 м.

Общая мощность приливов оценивается ориентировочно в 1 млрд кВт. Несмотря на то что до настоящего времени стоимость строительства ПЭС в 2,5 раза больше, чем речных ГЭС, их будущее представляется несомненно перспективным.

Еще один вид водной энергии находится буквально у нас под ногами, но мы его еще мало используем. Это энергия горячих, термальных, подземных вод. Всего в каких-нибудь 30- 35 км под нами, т. е. под земной корой, начинается одна из внутренних геосфер Земли, мантия, в которой температура достигает нескольких сотен градусов (до 1500 °С на глубине 500 км). Глубинное земное тепло нагревает подземные воды, которые при выходе на дневную поверхность можно использовать для обогревания зданий, для получения электроэнергии в турбинах и т. д.

Горячие источники и гейзеры встречаются в районах, где есть потухшие и действующие вулканы, или в районах тектонических разломов и частых землетрясений, где расплавленная магма поднимается достаточно близко к поверхности Земли, чтобы нагреть подземную воду или создать пар в земных пустотах.

В Италии, почти лишенной горючих ископаемых, геотермальные источники используют с 1904 г. С 1944 г. отапливается только водами горячих источников столица Исландии Рейкьявик (в переводе это название значит "дымящаяся бухта" - от обилия горячих ключей) с населением около 100 тыс. жителей. Горячая вода идет также на обогревание теплиц, плавательных бассейнов, на технические нужды. Она забирается из буровых скважин в 15-20 км от Рейкьявика и перегоняется в город по термоизолированным трубам, охлаждаясь по дороге всего на 2-3 °С. Предполагается в скором времени обогревать теплом горячих вод около 50% всех домов в Исландии. Существует геотермическая электростанция мощностью 5000 кВт на Камчатке, в долине реки Паужетки, ведется разведка других месторождений горячей воды и пара, в частности в районе Авачинской сопки. Пар от гейзеров используют на электростанциях Италии, Японии, Мексики, Новой Зеландии, Калифорнии. В США, потревоженных энергетическим кризисом и необходимостью пополнить истощающиеся запасы нефти и газа другими источниками энергии, промышленные круги проявляют большой интерес к проблемам геотермической энергии.

Следует, однако, подчеркнуть, что большая часть горячих источников подает сильноминерализованную, соленую воду и использовать ее можно лишь после очистки. В США только около 20% кипящей воды из скважин превращается в пар, который, прежде чем подавать на турбины, нужно очищать в специальных сепараторах. В противном случае минерализованный пар быстро разъест оборудование. Тем не менее, как считают некоторые специалисты, к 2000 г. мощность американских геотермических станций возрастет до 390 млн. кВт. Это несколько больше, чем нынешняя суммарная мощность всех электростанций США.

Следует остановиться еще на одном виде электростанций, использующих воду и получающих все большее распространение. Это атомные электростанции.

Атомные электростанции (АЭС) - разновидность обычных тепловых электростанций, с той только разницей, что на АЭС вместо угля, нефти, газа "сжигается" ядерное топливо. А дальше все идет, как на ТЭС: атомный реактор нагревает воду, водяной пар вращает турбину с генератором и вырабатывает электрический ток... Атомный реактор на АЭС заменяет котельную обычных ТЭС, точно так же как на атомных кораблях он заменяет котельную паровых судов.

Первая в мире атомная электростанция была открыта у нас в стране, в Обнинске под Москвой, в 1954 г. В 1971 г. общая мощность всех атомных станций в мире составила уже около 30 млн. кВт, в 1975 г.- около 130 млн. кВт. Топливом на АЭС служит обычно уран. По теплотворной способности 1 г урана соответствует 3 т угля, т. е. его теплотворность в 3 млн. раз больше угля, поэтому при эксплуатации АЭС отпадает необходимость ежедневно подвозить на электростанцию целые железнодорожные составы с топливом, торфом и т. п., а затем удалять горы золы и шлака.

Подлинный переворот в энергетике наступит, когда на АЭС энергия, выделяющаяся при делении атомных ядер, будет непосредственно преобразовываться в электрическую энергию, без участия парогенератора и паровой турбины с электрогенератором.