Гидропотенциал (гидроэнергетический потенциал) — количественная оценка энергии воды, которая может быть преобразована в электрическую энергию на определённом участке водотока или в пределах территории. Для реки, бассейна, региона или страны его обычно выражают возможной годовой выработкой в кВт·ч, ГВт·ч либо ТВт·ч в год, а для отдельного створа — также возможной мощностью в кВт или МВт. Гидропотенциал зависит прежде всего от расхода воды и доступного напора.

Величина потенциала зависит не только от природных условий, но и от того, какие технические, экономические, экологические и иные ограничения учитываются при оценке. Поэтому различают валовой теоретический, технический, экономический и осуществимый (или реализуемый) потенциал. Эти показатели не следует смешивать с установленной мощностью гидроэлектростанций и их фактической выработкой: они характеризуют ресурс и возможности его освоения, а не уже работающие объекты.

Границы понятия могут различаться. В российской нормативной терминологии к гидроэнергетическим ресурсам относят энергетический потенциал речного стока относительно уровня моря, а также энергию морских приливов. В международной статистике гидроэнергетики потенциал нередко ограничивают природным стоком рек и водохранилищ; энергию приливов и волн учитывают отдельно, а выработку гидроаккумулирующих электростанций не относят к нему, за исключением энергии природного притока.

Физическая основа и единицы измерения Мощность, которую можно получить в заданном створе водотока, в общем виде рассчитывают по формуле

где — плотность воды, — ускорение свободного падения, — расход воды, — напор, а — общий коэффициент полезного действия гидроагрегата и водопроводящего тракта. При плотности воды около 1000 кг/м³ формула для мощности в киловаттах принимает приближённый вид , если расход задан в м³/с, а напор — в метрах.

В теоретической оценке обычно принимают и используют полный перепад высот. В технических расчётах учитывают потери напора и КПД турбин, генераторов и других элементов. Энергия за период определяется интегрированием мощности:

Поскольку расход воды меняется по сезонам и годам, годовой потенциал оценивают по многолетнему ряду стока, гидрографу или кривой продолжительности расходов. Таким образом, мощность и годовая энергия описывают разные свойства ресурса: одинаковая возможная мощность не гарантирует одинаковую годовую выработку.

Категории гидропотенциала Терминология отдельных организаций и исследований не полностью совпадает, однако чаще всего используют следующие категории:

Валовой теоретический потенциал — предельная энергия природного стока при полном использовании доступного перепада высот и стопроцентном преобразовании энергии. В оценках для больших территорий сток условно используют до уровня моря либо до границы рассматриваемой территории. Такой показатель не учитывает возможность строительства и потому служит верхней физической границей. Технический потенциал — часть теоретического потенциала, которую можно освоить при существующем уровне техники с учётом подходящих створов, допустимых схем сооружений, реальных напоров, потерь и КПД оборудования. Экономический потенциал — часть технического потенциала, освоение которой экономически оправдано при заданных стоимости строительства и эксплуатации, условиях финансирования, ценах на электроэнергию и выбранной норме доходности. Он изменяется вместе с технологиями и экономическими условиями. Осуществимый, реализуемый или эксплуатируемый потенциал — используемые в некоторых исследованиях обозначения той части ресурса, которая остаётся после дополнительных экологических, социальных, правовых и инфраструктурных ограничений. Точное содержание этой категории необходимо уточнять по методике конкретной оценки.

Если категории рассчитаны по одним исходным данным и последовательно вводимым ограничениям, между ними выполняется соотношение

Сравнивать оценки, полученные разными авторами, можно только после сопоставления их определений, пространственных границ, исходных данных и принятых ограничений.

Методы оценки Для отдельного участка реки исходными данными служат многолетние наблюдения за расходом воды, отметки уровней верхнего и нижнего бьефов, продольный профиль русла, возможная компоновка сооружений и характеристики оборудования. По расходам определяют обеспеченность стока и выбирают расчётный расход; по топографическим данным находят валовой и полезный напор. Затем рассчитывают мощность и выработку для различных режимов работы. При наличии водохранилища дополнительно моделируют регулирование стока, испарение, ограничения уровней и совместное использование воды.

При оценке бассейнов и крупных территорий данные гидрометрических постов дополняют моделями речного стока, цифровыми моделями рельефа и геоинформационными системами. Речную сеть делят на участки, для которых вычисляют расход и перепад высот, либо автоматически выявляют возможные площадки плотин и деривационных станций. Из технических площадок после расчёта капитальных затрат, расстояния до дорог и электросетей и других расходов формируют кривые предложения гидроэнергии.

Региональная оценка предназначена прежде всего для сравнения территорий и предварительного отбора площадок. Она не заменяет инженерные изыскания и технико-экономическое обоснование, для которых требуются более точные гидрологические, геологические, экологические и социально-экономические данные.

Ограничения и изменчивость На оценку гидропотенциала влияют:

величина и внутригодовое распределение стока, засухи, паводки и наносы; рельеф, геология, доступный напор и возможность разместить сооружения; КПД оборудования, гидравлические потери и режим регулирования; водоснабжение, орошение, судоходство, санитарные и экологические попуски; удалённость от дорог и электрических сетей, стоимость строительства и финансирования; охраняемые территории, состояние речных экосистем, переселение населения, права на землю и воду и требования законодательства.

Результат зависит также от качества и пространственного разрешения исходных данных. Например, сглаживание цифровой модели рельефа уменьшает число выявленных перепадов высот, а недостаточно подробная модель стока может искажать расход малых рек. Поэтому заметно различающиеся глобальные оценки не обязательно противоречат друг другу: они могут описывать разные категории потенциала и использовать разные разрешение данных, схемы гидроэлектростанций и критерии исключения.

Изменение климата способно менять как средний речной сток, так и его сезонность и экстремальные значения. Воздействие на гидроэнергетику неодинаково в разных бассейнах: возможны увеличение, сокращение либо небольшое изменение потенциальной выработки, а водохранилища могут частично сглаживать изменения притока.

Мировые оценки Единой общепринятой величины мирового гидропотенциала нет. В исследовании 2015 года были получены оценки 128 ПВт·ч в год для валового теоретического, 26 ПВт·ч в год для технического, 21 ПВт·ч в год для экономического и 16 ПВт·ч в год для эксплуатируемого потенциала. Высокодетальная оценка 2017 года дала около 52 ПВт·ч в год валового потенциала для 11,8 млн выявленных участков рек. Один ПВт·ч равен 1000 ТВт·ч.

Разброс этих значений отражает прежде всего различия в методах, а не изменение самого ресурса за несколько лет. Обзор исследований, опубликованный в 2023 году, показал, что устойчивые к различиям методик оценки мирового технического гидроэнергетического потенциала превышают 10 ПВт·ч в год, но дальнейшее сужение до экономического и осуществимого потенциала сильнее зависит от принятых затрат и общественных и экологических ограничений.

См. также Гидроэнергетика Гидроэлектростанция Водные ресурсы Гидрологический режим Расход воды Напор (гидравлика)

Примечания

Литература

Категория:Гидроэнергетика Категория:Водные ресурсы Категория:Энергетические ресурсы