7.3. Энергия воды и ветра

Наряду со сжиганием органического топлива человек с древнейших времен использовал энергию движения воды и ветра, преобразовывая ее в механическую энергию различных приспособлений и устройств: парусных судов, водяных колес, ветряных и водяных мельниц и др. Кинетическая энергия движения текущей или падающей воды, ветра имеет своим источником солнечную энергию, т.е. относится к трансформированной энергии. Течение рек происходит в рамках общего круговорота воды в природе, источником энергии для которого, как уже говорилось, является Солнце. Аналогично, движение воздушных масс в атмосфере Земли (ветер) вызвано неравномерным нагревом ее поверхности солнечными лучами.

В настоящее время кинетическая энергия текущей и падающей водыиспользуется в основном для выработки электроэнергии. В 1987 году на долю гидроэнергии приходился 21 % вырабатываемого в мире электричества и 6 % всей энергии. В США гидроэлектростанции (ГЭС) дают 12 % электричества, что составляет 5 % всей потребляемой энергии. В России на долю ГЭС приходилось в 1997 году 18,9 % производства электроэнергии (еще 68,1 % производилось на тепловых электростанциях (ТЭС) и 13,0 % – на атомных (АЭС)). Гидроэнергетика обеспечивает практически полностью производство электроэнергии в Норвегии, 74 % – в Швейцарии, 70 % – в Канаде, 67 % – в Австрии, около 50 % – в развивающихся странах. Если большая часть гидроэнергетического потенциала в Европе и Северной Америке уже использована, то в Африке в настоящее время используется только 5 % этого потенциала, в Южной Америке – 8 %, в Азии – 9 %. Крупные программы по строительству ГЭС приняты и реализуются в Бразилии, Китае, Индии.

Гидроэнергия представляет собой возобновимый, не загрязняющий окружающую среду ресурс. Однако гидроэнергетика имеет не только положительные, но и отрицательные стороны, порождает ряд проблем, в том числе и экологических.

К положительным сторонам гидроэнергетики относится то, что многие страны, прежде всего развивающиеся, располагают большим количеством еще не перекрытых потенциальных створов для ГЭС, хотя расположены они часто далеко от мест, где находятся потребители электроэнергии. ГЭС имеют высокий коэффициент полезного действия (от 83 до 93 %), работают на полную мощность в течение 95 % времени (по сравнению с 65 % у ТЭС и 55 % у АЭС, которые чаще закрываются на ремонт и текущее обслуживание), не загрязняют атмосферу, имеют значительно больший по сравнению с ТЭС и АЭС срок эксплуатации, обеспечивают довольно низкую стоимость производства и поддержания рабочего состояния.

В то же время, как уже отмечалось, гидроэнергетические ресурсы большинства индустриальных стран уже практически исчерпаны, хотя возможность повышения выработки гидроэлектроэнергии за счет большого числа мелких ГЭС еще есть. Использование гидроэнергетического потенциала развивающихся стран ставит вопрос о транспортировке электроэнергии на большие расстояния, что неизбежно приведет к ее потерям и удорожанию. Строительство ГЭС на полноводных равнинных реках с относительно медленным течением требует сооружения плотин и создания больших водохранилищ, что требует значительных капиталовложений. Хотя плотины и водохранилища и позволяют контролировать паводки и регулировать сток, их создание порождает целый ряд проблем.

Создание гигантских плотин и водохранилищ приводит к затоплению громадных территорий. В результате из сельскохозяйственного оборота изымаются наиболее плодородные пойменные земли (выше плотины), из-за отсутствия паводков снижается плодородие пойменных земель ниже плотины (почвы во время паводков получают плодородный ил, из них вымываются минеральные соли и т.п.), разрушаются местообитания многих диких животных. Берега рек исторически являются наиболее заселенными территориями, образование водохранилищ приводит к необходимости переселения больших количеств людей, перемещения исторических и культурных памятников (если это возможно). Строительство плотин перекрывает пути естественной миграции многих видов водных организмов, в том числе некоторых морских рыб к местам нереста (например, осетровых рыб на Волге). Неизбежно остающиеся на дне образующегося водохранилища органические вещества обогащают воду биогенами и способствуют ускоренной эвтрофизации воды. Образование больших площадей водной поверхности и испарение с них воды оказывают влияние на климат на территориях, прилегающих к водохранилищу. Наконец, концентрация на поверхности земли больших масс воды может спровоцировать землетрясения и другие сейсмические явления (так, например, землетрясение в сейсмически спокойном районе Египта ряд ученых связывает с возникновением озера Насер – водохранилища, образовавшегося в результате строительства высотной Асуанской плотины). Регулирование режима рек может привести к сокращению численности или даже исчезновению одних видов и популяционному взрыву у других видов в экосистемах, лежащих ниже плотины. Так, прекращение ежегодных разливов Нила благодаря Асуанской плотине привело к размножению улиток, которые заражают людей шистосоматозом – болезнью, вызывающей у человека боль, слабость и приводящей к преждевременной смерти.

Энергия ветра, как и энергия текущей или падающей воды, также представляет собой трансформированную солнечную энергию и использовалась человеком с глубокой древности. Вплоть до 1930-х годов даже в такой индустриально развитой стране, как США, на многих фермах еще использовались ветряные мельницы, вытесненные, однако, к концу 1940-х годов электрическими устройствами. В связи с энергетическими кризисами и "экологизацией" образа жизни в 1970-х – 1980-х годах интерес к возможности использовать энергию ветра возродился. Однако в отличие от прежних времен, в настоящее время энергия ветра преобразуется не непосредственно в механическую энергию устройств и механизмов, а в энергию электрическую, которая и используется потребителями.

С 1970-х годов в 95 странах начали проектироваться и использоваться ветровые турбины различных размеров: от гигантских с размахом лопастей около 100 м, устанавливаемых на шестидесятиметровых башнях, до небольших с размахом лопастей около 17 м. Стремление увеличить размах лопастей ветровых установок объясняется тем, что с удвоением длины лопастей выход энергии увеличивается в 4 раза. Установки со стометровыми лопастями имеют при оптимальной скорости ветра мощность до 2,5 МВт (для сравнения мощность АЭС – порядка 1000 МВт). К настоящему времени подобных установок построено более десяти, из них семь – в США. Однако из-за слишком больших нагрузок на лопасти такие установки часто выходят из строя, поэтому во многих странах от их дальнейшего развития отказались, хотя в Канаде, Дании, Нидерландах, Швеции и Германии работы в этом направлении продолжаются.

Более эффективным представляется использование небольших и средних ветровых турбин мощностью от 10 кВт до 1 МВт, менее подверженных перегрузкам и поломкам и способных вырабатывать больше энергии при слабых ветрах, чем большие турбины. Отдельные ветровые установки (от пятидесяти до нескольких тысяч) объединяются в так называемые ветростанции, или ветровые фермы. После 1974 года в мире установлено более 20000 ветровых турбин преимущественно в США (Калифорния) и Дании. Лидерство в этом отношении принадлежит США: более 70 % электричества, вырабатываемого силой ветра в мире, генерируется на трех ветренных перевалах в США. Калифорнийская энергетическая комиссия планирует, что к началу XXI века 8 % потребностей штата будет удовлетворяться за счет энергии ветра. Также 8 % энергетических потребностей удовлетворяется за счет энергии ветра на Гавайских островах. К странам, планирующим увеличить использование энергии ветра, относятся, кроме вышеназванных, также Китай, Индия, Испания, Греция, Аргентина, Великобритания, Австралия, Россия.

Использование энергии ветра для выработки электроэнергии имеет ряд очевидных преимуществ. Ветер относится к практически неисчерпаемым природным ресурсам. В большинстве регионов мира есть территории, где ветры дуют практически постоянно, что делает использование ветровых турбин вполне рентабельным. Строительство ветростанций не требует значительных капиталовложений: стоимость сооружения ветровых установок составляет 1,25 доллара США в пересчете на 1 Вт, в то время как для ТЭС, работающей на угле, и АЭС этот показатель составляет 3 и 5 долларов США соответственно. Ветростанции могут быть построены за достаточно короткий срок (от трех до шести месяцев). Ветроэнергетические системы обладают довольно высоким коэффициентом полезного действия, не загрязняют окружающую среду, не нуждаются в воде, работают от 80 до 98 % времени, когда дует ветер; территории, занятые ветростанциями, могут использоваться и для других целей, например, выпаса скота.

Есть при использовании энергии ветра и определенные проблемы и недостатки, хотя в сравнении с другими источниками энергии они представляются не столь существенными. Ветровые установки рентабельны только в районах с устойчивыми постоянными ветрами. Опыт показал, что эти установки могут вырабатывать электроэнергию по приемлемой цене, если средняя скорость ветра составляет от 6,5 м/с до 10,9 м/с, что характерно для горных перевалов и морских побережий. Когда ветер утихает, требуются системы резервного электропитания за счет других источников или энергонакопителей (в этом отношении достаточно перспективными представляются комбинированные системы, включающие ветроэнергетические установки, солнечные батареи, гидроэнергетические системы). Большие ветровые турбины достаточно шумны, могут создавать помехи для местного телевидения, а также являются источниками инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм (постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство, дискомфорт) и на многих животных. Крупные ветровые станции могут создавать помехи на путях миграции перелетных птиц.