Энергия воды и ветра: современные аспекты возобновляемых ресурсов

Гидроэнергетика: рациональное применение водного потенциала

С давних эпох люди искали способы использовать природные силы, помимо сжигания топлива. Энергия воды и ветра издавна служила источником движения для различных изобретений и механизмов. Водяные колеса, мельницы (как под действием потока воды, так и ветра), а также парусные судна наглядно демонстрируют, как человек находит выход энергии в природе.

Следует отметить, что корневым источником всех этих процессов является солнечное излучение. Солнце обеспечивает свой вклад, поддерживая круговорот воды и инициируя движение воздуха, что и формирует запасы кинетической энергии в реках и атмосфере. Иными словами, энергия воды и ветра – это результат преобразования солнечной мощности.

Классическая энергия воды, или гидроресурс, относится к категории обновляемых ресурсов природы. Среди её несомненных плюсов — отсутствие загрязнения окружающей среды при генерации электричества. Но помимо достоинств, гидроэнергетика характеризуется и определённым числом проблем.

Сильные и слабые стороны гидроэнергетики

Главное преимущество в том, что многие страны располагают значительными возможностями для строительства гидростанций. ГЭС отличаются впечатляющим КПД (до 85–95%) и способны функционировать на максимальной мощности большую часть года, зачастую превосходя по непрерывности работы ТЭС (65% времени) и АЭС (55%). Кроме того, срок эксплуатации гидроэлектростанций зачастую превышает аналогичные показатели для тепловых и атомных объектов, а себестоимость энергии при этом сравнительно низка.

Но нельзя забывать об издержках. В развитых странах уже исчерпаны наиболее масштабные гидроресурсы, и теперь прирост мощностей возможен только путем строительства малых ГЭС. Передача электроэнергии на далекие расстояния чревата потерями и удорожанием. Строительство плотин на медленных реках требует значительных инвестиций в инфраструктуру, а формирование больших искусственных водохранилищ влечет за собой сложные экологические и общественные последствия.

Влияние гидростанций на окружающую среду и население

Возведение плотин и наполнение водохранилищ помогает контролировать паводки, но, вместе с тем, приводит к затоплению обширных земель, часто самых плодородных. Такие изменения сказываются и на тех, кто обитает или ведет хозяйство по берегам рек — исторические поселения, фермы, инфраструктура вынуждены перемещаться. Наряду с этим, исчезновение регулярных паводков делает земли ниже по течению менее плодородными, а флора и фауна теряют привычные места обитания.

Плотины преграждают миграцию рыб и водных животных, что разбивает целостность местных биосистем. Органические вещества, скопившиеся на дне водохранилищ, могут вызвать интенсивное "цветение" воды (эвтрофикацию). Усиленное испарение влияет на климат прилегающих районов. Дополнительный риск — высокая масса воды, искусственно сосредоточенная на поверхности, способна создавать сейсмические риски. Наконец, смена гидрологического режима меняет численность одних видов, а у других может вызвать взрывной рост: как пример можно привести ситуацию с улитками в Ниле после постройки Асуанской дамбы — они стали разносчиками заболеваний.

Ветроэнергетика: освоение воздушной динамики

Так же, как и гидропотенциал, энергия ветра — это отражение солнечной активности на Земле. Человечество воспользовалось силой ветра задолго до технического прогресса: на ветру работали мельницы, двигались корабли. С появлением более эффективных технологий ветряные устройства ушли на второй план, но энергетический кризис 1970–1980-х вновь поднял интерес к этому виду получения энергии. Сегодня основной акцент здесь делается на электрогенерацию.

С 1970-х годов пошла волна конструирования всевозможных ветрогенераторов — от компактных моделей до огромных комплексов с лопастями по 100 метров. Физика проста: увеличение длины "крыльев" в два раза приводит к четырёхкратному росту энергии. Мощность достижима до 2,5 МВт на одну крупную турбину — но износ и аварии в таких больших системах происходят быстрее из-за сильных нагрузок.

Сравнительная отдача и дальнейшие возможности

По результатам практического применения выяснилось: средние и малые ветроустановки не только выносливее, но и при слабых ветрах работают эффективнее, чем массивные комплексы.

Что касается недостатков, ветроэлектростанции выгодны только там, где ветра сильные и регулярные. Большие "ветряки" шумят и могут мешать сигналам телевидения. Кроме обычного шума, их лопасти издают инфразвук, который плохо воспринимается, но все же вызывает дискомфорт у людей и животных. Поэтому комплексное применение энергии воды и ветра имеет особое значение для устойчивого развития энергетики будущего.