Энергия в окружающей среде

                                    2.2 Энергия воды. 

    а) Гидроэнергия. 

          Поскольку солнечное  излучение – движущая сила круговорота  воды в природе, энергия воды, или  гидроэнергия, также относится к  преобразованной энергии Солнца. Вода, которую еще в древности  использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим  источником энергии – теперь уже  электрической – для нашей  промышленной цивилизации. Энергия  падающей воды, вращающей водяное  колесо, служила непосредственно  для размола зерна, распиливания древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на наших  реках стали исчезать, когда в  восьмидесятых годах позапрошлого века началось производство электроэнергии у водопадов. 

    Производство  электроэнергии на гидростанциях  обычного типа.

    Вода  из водохранилища поступает вниз через длинный прямой канал, называемый напорным трубопроводом, и направляется на горизонтально вращающиеся лопасти  турбины. Вертикальный вал турбины  соединен с блоком генератора. На типичной станции используется много турбинно-генераторных агрегатов. Коэффициент полезного  действия нередко составляет около 60-70%, т. е. 60-70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую  энергию.

          Сооружение гидростанций обходится дорого, и они требуют  эксплутационных расходов, но зато работают на бесплатном «топливе», которому не грозит никакая инфляция. Первоисточником энергии служит солнце, испаряющее воду из океанов, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя, выпадающего в возвышенных местностях и стекающего вниз в моря. Гидростанции встают на пути этого стока и перехватывают энергию движущейся воды – энергию, которая иначе была

    бы  израсходована на перенос отложений к морю. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Региональное  распределение гидроэнергетических  ресурсов.

    Однако  гидроэнергетика не безвредна для  окружающей среды. Когда течение  реки замедляется, как это обычно и бывает при попадании ее вод  в водохранилище, взвешенный осадок начинает опускаться на дно. Ниже водохранилища  чистая вода, попавшая в реку, гораздо  быстрее размывает речные берега, как бы восстанавливая тот объем  осадков, который был утрачен  в водохранилище. Усиление эрозии берегов  ниже по течению от водохранилища  – обычное явление.

    Дно водохранилища покрывается осадками, принесенными из регионов, расположенных  выше по течению. Этот слой осадков  периодически выступает на поверхность  или затопляется вновь, когда  уровень водохранилища поднимается  и падает в результате притока  или сброса воды. Постепенно осадков  накапливается столько, что если их регулярно не вычерпывать, то они  начинают занимать часть полезного  объема водохранилища. Это означает, что водохранилище, сооруженное  для хранения запасов воды или  контроля за наводнениями, постепенно утрачивает свою эффективность, если не очищать его от накапливающихся твердых осадков.

    Накопление  слишком большого количества осадков  в водохранилище можно частично предотвратить. Эрозия и перенос  осадков представляют собой естественные и непрерывные процессы, однако сельскохозяйственные работы, прокладка дорог строительство  домов и вырубка лесов –  все это ускоряет эрозионные процессы, обнажая почву. Тщательный контроль за состоянием почвы способствует уменьшению количества обломочного материала, уносимого потоками, и тем самым предотвращает быстрое накопление осадка в водохранилищах.

    Невидимые до поры груды осадков, которые становятся видимыми лишь во время низкого стояния  воды в водохранилище, - не единственная причина, по которой многие выступают  против строительства плотин. Существует и другая, более важная причина: после заполнения водохранилища под водой оказываются ценные земли, которые утрачиваются навсегда. Исчезают также ценные животные и растения, причем это не только сухопутные виды; рыбы, населяющие перегороженную плотиной реку, тоже могут исчезнуть, поскольку плотина преграждает путь к местам нереста.

    Существует  и иные аспекты, связанные со строительством водохранилищ. В определенные периоды  времени в году качество воды в  водохранилище и качество воды, выпускаемой  из него, может быть на редкость низким. В течение лета и осени нижние слои воды в водохранилище могут  стать очень бедными кислородом. Недостаток кислорода обусловлен сочетанием двух процессов. Во-первых, неполным перемешиванием воды в водохранилище в течение  лета и ранней осени. Во-вторых, бактериальным  разложением отмерших растений в  донных слоях водохранилища, что  требует большого количества кислорода. Если эта бедная кислородом вода выпускается  из водохранилища, то наносится ущерб  рыбе и другим водным организмам ниже по течению.

    Чтобы создать преимущество более высокой  водной поверхности или более  равномерного стока, фактически нет  необходимости строить плотину  на свободно текущей реке. Частично отводя воду верхнего течения, можно  создать искусственное озеро  и в стороне от реки. Такое озеро  обладает преимуществом как высоты напора, так и постоянно доступного водного резерва.  

    б) Энергия приливов. 

    В приливах и отливах, сменяющих друг друга дважды в день, также заключена  огромная энергия.

    Приливы – это результат гравитационного  притяжения больших масс воды океанов  со стороны Луны и, в меньшей степени, Солнца. При вращении Земли часть  воды океана поднимается и некоторое время удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Когда «горб» подъема воды достигает суши, как это должно происходить вследствие вращения Земли, наступает прилив. Дальнейшее вращение Земли ослабляет воздействие Луны на эту часть океана, и прилив спадает. Приливы и отливы повторяются дважды в сутки, хотя их точное время изменяется в зависимости от сезона и положения Луны

    Средняя высота прилива составляет всего  лишь 0,5 м, за исключением тех случаев, когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В  таких случаях возникает волна, высота которой может в 10-20 раз  превышать нормальную высоту приливного подъема. Каждый год наиболее высокие  приливы случаются тогда, когда  Луна и Солнце находятся почти  на одной линии, так что суммарное  гравитационное воздействие увеличивает  объем перемещаемой океанской воды. 

    Работа  приливной электростанции.

    На  реке построена плотина для задержки вод высокого прилива. Когда приливные  воды отступают, задержанная плотиной вода выпускается в океан через  грушевидные турбины под плотиной и вырабатывается электроэнергия. Однако можно вырабатывать электроэнергию как при отливе, так и при приливе.

    Приливная волна задерживается позади плотины  в результате открытия ряда донных затворов, что позволяет ей двигаться  вверх по реке в направлении истока. Затворы закрывают тогда, когда  прилив достигает наивысшего уровня, а затем, по мере отлива, воде, запертой за плотиной, позволяют стекать к  морю через турбины. При низком уровне воды, т. е. при отливе, большая часть  этой воды спускается. Когда приливные  воды снова наступают, они оказываются  перед закрытыми затворами, и  уровень воды со стороны моря превышает  ее уровень на стороне плотины, обращенной к суше. После того как будет  достигнут достаточный напор, воде позволяют течь вверх по реке, проходя  через турбины, и снова вырабатывать электричество. Таким образом, энергия  вырабатывается за счет отлива, и за счет прилива.

    На  некоторых станциях применяется  замечательная технология. В последней  фазе прилива разница в уровнях  воды в резервуаре за плотиной и  в океане может составлять каких-нибудь два метра. В это время электроэнергия из какого-либо другого источника может быть использована для перекачивания океанской воды (с помощью турбин) в приливной бассейн. Вода накачивается на высоту лишь нескольких десятков сантиметров, поэтому не требуется много энергии. Когда приливная волна отступила, эта дополнительная вода падает с высоты 6 – 10 м,  вырабатывая гораздо больше электроэнергии, чем ее было затрачено. Та же идея реализуется при отливе, но только в этом случае вода откачивается из приливного бассейна в океан. При этом уровень воды в бассейне падает ниже уровня воды в океане и поступающая приливная вода проходит большую дистанцию.

    Из-за огромной стоимости этих сооружений правительства не расположены, вкладывать средства в приливную энергию. Такие  станции стоят в 2,5 раза больше оценочной  стоимости речной гидростанции с  такой же средней выработкой энергии прежде всего из-за дополнительной стоимости защитных перемычек впереди и позади объекта. Но как только первоначальные инвестиции сделаны, выработка энергии уже не требует никакого топлива. Необходимо только техническое обслуживание системы, и поэтому стоимость энергии остается низкой.

    Места, где приливы могли бы быть использованы для выработки электроэнергии, имеются  во всем мире. 
 
 
 

    Приливные ресурсы в некоторых  регионах. 

          Помимо стоимости  сооружения станции, у приливной  энергии есть и другие отрицательные  стороны. Если приливная станция  находится далеко от ближайшего крупного центра использования энергии, потребуются  длинные и дорогие линии электропередачи. С другой стороны, такая передача на большие расстояния становится все  более обычной по мере создания новых  и более эффективных линий.

    И наконец, следует упомянуть еще  одну отрицательную черту приливной  энергии – то, что ее выработка  непостоянна. Это легко понять, если на минуту задуматься о ее природе. При обычной эксплуатации приливной  энергии электричество вырабатывается только в начале отлива, т. е. тогда, когда уровень воды, запасенной в  бассейне, в достаточной мере превышает  ее уровень в море. По мере снижения уровня воды в бассейне выработка  электроэнергии уменьшается и около  нижней точки отлива падает до нуля, поскольку разность уровней исчезает. Если приливная станция оборудована  реверсивными  турбинами, то энергия  может вырабатываться и за счет наступающего прилива, но только после того, как  уровень прилива превысит в достаточной  мере уровень воды позади плотины. Когда  прилив достигает максимальной высоты, выработка энергии снова приближается к нулю. Таким образом, кривая выработки  энергии снова приближается и  падает дважды с сутки в соответствии с двумя приливными циклами.

    Эта циклическая выработка энергии  вряд ли будет соответствовать суточным потребностям в ней. Пиковая потребность  и пиковая выработка могут  иногда совпадать, так как часы обоих  приливов сдвигаются  по мере смены  времен года, но чаще всего такого совпадения не будет. Поэтому поступление энергии  в сеть должно каким-то образом регулироваться. Это означает, что выработка энергии другими, центральными, станциями должна обычно снижаться, когда темп приливной выработки достигает максимума, и возрастать, когда он падает. Фактически энергия от приливной электростанции достаточно регулярно замещает энергию, вырабатываемую с помощью других средств. Если замещается энергия, вырабатываемая станцией на угольном топливе, то экономится уголь. Биологические и физические последствия постройки приливных электростанций. Физические последствия. Когда мы смотрим на приливы с их устрашающей энергией, нам следует подумать о воздействии на окружающую среду приливных бассейнов. Сосредоточимся на физических изменениях, которые могут произойти с морской стороны приливной электростанции