Энергия воды
Человек с самых древних времен, помимо сжигания органического топлива, использовал энергию воды и ветра. Такая энергия, преобразованная в механическую, использовалась для работы разных приспособлений и устройств, например:
- водяных колес,
- парусных судов,
- водяных и ветряных мельниц и т.д.
Источником кинетической энергии воды и ветра является солнечная энергия. Течение рек и движение воздушных масс тоже вызвано воздействием Солнца. То сеть энергия воды и ветра является трансформированной энергией.
На современном этапе развития человечества кинетическая энергия падающей и текущей воды применяется для производства электрической энергии. На конец ХХ века 21% вырабатываемого в мире электричества приходилось на долю гидроэнергетики. В России на 1997 год 19% производства электроэнергии приходилось на долю гидроэлектростанций. В Норвегии производство электроэнергии осуществляется полностью гидроэнергетикой.
Энергия воды – гидроэнергия – это возобновимый природный ресурс, очевидным плюсом которого является то, что он не загрязняет окружающую среду. Однако, наряду с положительными сторонами, гидроэнергетика имеет и отрицательные.
К преимуществам гидроэнергетики относится то, что многие страны располагают большим числом створов для гидроэлектростанций. Коэффициент полезного действия гидроэлектростанций очень высокий, он составляет от 85 до 95%. К тому же, гидроэлектростанции функционируют на полной мощности 95% времени. Для сравнения, ТЭС работают 65% времени, АЭС – 55%, они чаще закрываются на текущее обслуживание и ремонт. Гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду и атмосферу. Срок эксплуатации гидроэлектростанций гораздо больше, чем у теплоэлектростанций и атомных электростанций. К тому же, ГЭС обеспечивают достаточно низкую стоимость производства и обслуживания.
Недостатком гидроэнергетики является то, что ресурсы подавляющей части промышленно развитых стран практически исчерпаны, а повышение выработки гидроэлектроэнергии осуществляется за счет мелких гидроэлектростанций. К тому же, транспортировка электроэнергии на большие расстояния приведет к ее удорожанию и потерям. Еще одним недостатком гидроэнергетики является то, при что строительстве ГЭС на равнинных реках с медленным течением необходимо возведение плотин и сооружения больших водохранилищ, а это требует больших вложений капитала. Водохранилища и плотины обеспечивают возможность контроля за паводками, а также позволяют регулировать их сток, их сооружение влечет за собой ряд проблем.
В последствии, сооружения больших плотин и водохранилищ происходит затопление обширных территорий, в результате чего наиболее плодородные земли, находящиеся выше плотины, изымаются из сельскохозяйственного оборота. А отсутствие паводков приводит к снижению плодородия земель, находящихся ниже плотины. К тому же, в результате этого разрушаются места обитания диких животных. Исторически сложилось, что берега рек являются наиболее заселенными территориями. Сооружение водохранилищ приводит к переселению большого количества людей и перемещению, по возможности, культурных памятников.
При строительстве плотин перекрываются естественные пути миграции многих видов организмов.
Оставшиеся на дне водохранилища органические вещества способствуют эвтрофизации воды, обогащая ее биогенами. Влияние на климат территорий, прилегающих к водохранилищу, оказывает испарение воды с большой площади поверхности. Еще одной проблемой сооружения водохранилищ является опасность провоцирования сейсмических явлений в результате концентрации больших масс воды на поверхности земли. В результате регулирования режима рек сокращается численность одних видов живых организмов и популяционному взрыву других. Например, прекращение разливов Нила в результате сооружения Асуанской плотины вызвало рост популяции улиток, которые заражают людей шистосоматозом.
Энергия ветра
Так же, как энергия воды, энергия ветра является трансформированной солнечной энергией. Использование человечеством энергии ветра происходит с незапамятных времен. До 1930 – х годов во многих промышленно развитых странах использовались ветряные мельницы, которые были вытеснены лишь к 1940 годам. Энергетические кризы 1970-1980-х годов использование энергии ветра вновь стало популярным. Однако, в отличие от раннего времени, энергия ветра на современном этапе преобразуется не в механическую, а в электрическую.
Начиная с 1970-х годов в большинстве стран начали проектировать и вводить в эксплуатацию ветровые турбины самых разных размеров, от небольших 17-тиметровых лопастей до гигантских, имеющих размах лопастей 100 метров. Удвоение длины лопастей приводит к увеличению выхода энергии в 4 раза. Установки, имеющие размах лопастей 100 м имеют мощность до 2,5 МВт. Однако, слишком большие нагрузки на лопасти приводят к быстрому выходу из строя таких установок.
Использование средних и малых ветровых турбин является наиболее эффективным, так как они меньше подвергаются поломкам и перегрузкам, а также вырабатывают большее количество энергии при слабых ветрах, чем большие турбины.
Преимуществами использования энергии ветра для производства электричества являются следующие. Ветер является неисчерпаемым природным ресурсом. К тому же, в большей части регионов мира ветры дуют практически постоянно, поэтому использование энергии ветра является достаточно рентабельным.
Сооружение ветряных станций не требует больших вложений средств. Например, стоимость строительства ветровых установок составляет 1, 25 долл. а 1 Вт, для АЭС и ТЭС – 3 и 5 долл. На строительство ветростанций требуется от трех до шести месяцев. Коэффициент полезного действия ветровых установок достаточно высок, они функционируют до 98 % времени, когда дует ветер. К тому же, они не загрязняют окружающую среду, а территории, на которых располагаются ветровые станции, могут быть использованы для других целей.
Недостатки при использовании энергии ветра не столь существенны. К ним относится то, что такие установки являются рентабельными только в районах с постоянными ветрами. Большие турбины достаточно шумны и могут создавать помехи для телевидения. Кроме того, они могут быть источником инфразвукового шума, который неблагоприятен для человека и животных.
