Основи екології - Олійник Я.Б. - Енергія води (гідроенергія)

Деякі учені вважають, що нашу планету правильніше було б називати не Земля, а Вода, адже близько трьох чвертей поверхні планети покрито водою. Величезним акумулятором енергії є Світовий океан - він поглинає велику частину енергії, що надходить від Сонця. Використовують також припливи І відпливи, океанські течії, могутні річки, які несуть величезні маси води в моря і океани. Раніше за все люди навчилися використовувати енергію річок.

Енергія води (гідроенергія)

Енергія води, або біоенергія, також є перетвореною енергією Сонця. Спадання води здавна використовувалось для обертання лопатних коліс і турбін. Вода була першим джерелом енергії, а першою машиною, за допомогою якої людина використовувала енергію води, була примітивна водяна турбіна. Понад 2000 років тому горці на Ближньому Сході вже користувалися водяним колесом у вигляді валу з лопатками: потік води, відведений зі струмка або річки, тиснув на лопатки, передаючи їм свою кінетичну енергію. Лопатки рухалися, а оскільки вони були жорстко скріплені з валом, то обертався вал. До нього у свою чергу прикріплювалося млинове жорно, яке разом з валом оберталося відносно нерухомого нижнього жорна. Саме так працювали перші "механізовані" млини для зерна. Але їх споруджували тільки у гірських районах, де річки і струмки мали великі перепади і сильний тиск.

Вода, яку ще у стародавні часи використовували для виконання механічної роботи, досі залишається хорошим джерелом енергії, тепер вже електричної. Енергія падаючої води, що обертає водяне колесо, служила безпосередньо для розмелювання зерна, розпилювання деревини і виробництва тканин. Однак млини і лісопильні на річках стали зникати, коли у 30-х роках XIX ст. почалося виробництво електроенергії з водоспадів.

На сучасній гідроелектростанції (ГЕС) маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода тече через захисну сітку і регульований затвор сталевим трубопроводом до турбіни, над якою встановлений генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генератору і там перетворюється в електричну. Після цього вода стікає в річку через тунель, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість.

За потужністю ГЕС поділяють на дрібні (із встановленою потужністю до 0,2 МВт), малі (до 2 МВт), середні (до 20 МВт) і великі (понад 20 МВт); за натиском - на низьконапірні (натиск до 10 м), середнього натиску (до 100 м) і високонапірні (понад 100 м). В окремих випадках дамби високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Вони зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду і піднімаючи її рівень. Турбіна - енергетично дуже вигідна машина, тому що в ній вода легко змінює поступальний рух на обертальний. Той самий принцип часто використовують і в машинах, які зовні зовсім не схожі на водяне колесо (якщо на лопатки впливає пара, то мова йде про парові турбіни). На типових ГЕС ККД нерідко становить 60-70 %, тобто 60-70 % енергії спадної води перетворюється на електричну.

Спорудження гідростанцій коштує дорого, і вони вимагають значних експлуатаційних витрат, зате їх "паливо" безкоштовне і йому не загрожує жодна інфляція. Першоджерелом енергії є Сонце, що випаровує воду з океанів, морів і річок. Водяна пара конденсується у вигляді дощу, випадає у підвищених місцевостях і стікає вниз до моря. Гідростанції будують на шляху цього стоку для перехоплення енергії руху води - енергії, яка в іншому випадку була б витрачена на перенесення відкладів до моря.

Тому гідроенергетика не є зовсім нешкідливою для навколишнього середовища.

Розглянемо деякі негативні наслідки для природи, пов'язані із спорудженням гребель на річках. Коли течія річки сповільнюється, як це звичайно відбувається при потраплянні її вод у водоймище, завислий осад починає опускатися на дно. Нижче водоймища чиста вода, потрапляючи у річку, набагато швидше розмиває річкові береги, ніби відновлюючи той обсяг осадів, який був втрачений у водоймищі. Отже, посилення ерозії й абразії берегів нижче за течією від водоймища - звичайне явище.

Дно водоймища поступово вкривається шаром осадів, який періодично виступає на поверхню або знову затопляється, коли рівень води падає і піднімається в результаті скидання води чи припливу. З часом осадів накопичується стільки, що вони починають займати значну частину корисного об'єму водоймища. Це означає, що водоймище, споруджене для збереження запасів води чи контролю за повенями, поступово втрачає свою ефективність. Нагромадженню великої кількості осадів у водоймищі можна частково запобігти, якщо здійснювати регулярний контроль за кількістю уламкового матеріалу, знесеного потоками води.

Невидимі до певного часу купи осадів, що стають видимими лише під час низького стояння води у водоймищі, - не єдина причина, за якої багато хто виступає проти будівництва гребель. Є й інша, важливіша: після заповнення водоймища під водою виявляються цінні землі, що втрачаються назавжди. Зникають також цінні тварини і рослини, причому не тільки сухопутні; риби, що населяють перегороджену греблею річку, теж можуть зникнути, оскільки гребля перепиняє шлях до місць їхнього нересту.

Є й інші проблеми, пов'язані з будівництвом гребель і водоймищ. У певні періоди якість води у водоймищі і, відповідно, якість води, що випускається з нього, може бути дуже низькою. Протягом літа й осені нижні шари води у водоймищі збідніються на кисень, що зумовлено одночасною дією двох процесів: неповним перемішуванням води та бактеріальним розкладом відмерлих рослин у донних шарах, що вимагає великої кількості кисню. Коли ця бідна на кисень вода випускається з водоймища, насамперед потерпають риби та інші водні організми нижче за течією.

Не зважаючи на все це, переваги ГЕС очевидні - постійно відновний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення навколишнього середовища.

Сьогодні для роботи ГЕС на річках створені водосховища, часто навіть каскади водосховищ. Реальний гідроенергетичний потенціал усіх річок світу оцінюється у 2900 ГВт, а практично для виробництва гідроелектроенергії використовується менше 1000 ГВт. У світі нині працюють десятки тисяч ГЕС. Тобто поки людям слугує лише невелика частина гідроенергетичного потенціалу Землі. Щорічно величезні потоки води, що утворюються від дощів і танення снігів, стікають в моря невикористаними. У разі затримання їх за допомогою дамб, людство отримало б додатково величезну кількість енергії.