Альтернативні джерела енергії

     Це  дуже неприємні, хоч очевидні висновки. Але все ж основним позитивом є те, що реальні наукові досягнення можуть привести до благоденства всього людства. Коли ці ідеї будуть реалізовані (а це станеться ще протягом життя нинішніх поколінь), енергетичні кризи залишаться у минулому, а промисловість і транспорт зміняться до невпізнання. На цивілізацію чекає стрибок, подібний до технічної революції на початку ХХ століття.  

2.5. Вода

  Оскільки сонячне випромінювання - рушійна сила кругообігу води в природі, енергія води, або гідроенергія, також відноситься до перетвореної енергії Сонця. Вода, що ще в стародавності використовували для здійснення механічної роботи, дотепер залишається добрим джерелом енергії - тепер вже електричної - для нашої промислової цивілізації. Енергія падаючої води, що обертає водяне колесо, служила безпосередньо для розмелу зерна, розпилювання деревини і виробництва тканин. Однак млини і лісопилки на наших річках стали зникати, коли у вісімдесятих роках позаминулого століття почалося виробництво електроенергії з водоспадів.

     Давайте розглянемо виробництво електроенергії на гідростанціях звичайного типу.

     Вода  з водоймища надходить униз через  довгий прямий канал, називаний напірним трубопроводом, і направляється  на горизонтальні обертові лопатки  турбіни. Вертикальний вал турбіни з'єднаний із блоком генератора. На типовій станції використовується багато турбо-генераторних агрегатів. Коефіцієнт корисної дії нерідко складає близько 60-70%, тобто 60-70% енергії падаючої води перетворюється в електричну енергію.

     Спорудження гідростанцій обходиться дорого, і  вони вимагають експлуатаційних  витрат, але зате працюють на безкоштовному  «паливі», якому не загрожує ніяка  інфляція. Першоджерелом енергії  служить сонце, що випаровує воду з океанів, озер і річок. Водяна пара конденсується у вигляді дощу, що випадає в підвищених місцевостях і стікає вниз до моря. Гідростанції встають на шляху цього стоку і перехоплюють енергію води, що рухається - енергію, що інакше була б витрачена на перенос відкладів до моря. Однак гідроенергетика не нешкідлива для навколишнього середовища. Коли плин ріки сповільнюється, як це звичайно і буває при попаданні її вод у водоймище, завислий осад починає опускатися на дно. Нижче водоймища чиста вода, що потрапила в річку, набагато швидше розмиває річкові береги, як би відновлюючи той обсяг осадів, що був втрачений у водоймищі. Посилення ерозії берегів нижче за течією від водоймища - звичайне явище.

       Дно водоймища покривається осадами,  принесеними з регіонів, розташованих  вище за течією. Цей шар осадів періодично виступає на поверхню чи затопляється знову, коли рівень водоймища піднімається і падає в результаті припливу чи скидання води. Поступово осадів накопичується стільки, що якщо їх регулярно не вичерпувати, те вони починають займати частину корисного об’єму водоймища. Це означає, що водоймище, споруджене для збереження запасів води чи контролю за повенями, поступово втрачає свою ефективність, якщо не очищати його від твердих осадів, що накопичуються.

     Нагромадження занадто великої кількості осадів у водоймищі можна частково запобігти. Ерозія і перенос осадів являють собою природні безперервні процеси, однак сільськогосподарські роботи, прокладка доріг, будівництво будинків і вирубка лісів - усе це прискорює ерозійні процеси, оголюючи ґрунт. Ретельний контроль за станом ґрунту сприяє зменшенню кількості уламкового матеріалу, знесеного потоками, і тим самим запобігає швидкому нагромадженню осаду у водоймищах.

     Невидимі  до пори купи осадів, що стають видимими лише під час низького стояння  води у водоймище, - не єдина причина, по якій багато хто виступає проти будівництва гребель. Існує й інша, більш важлива причина: після заповнення водоймища під водою виявляються цінні землі, що втрачаються назавжди. Зникають також цінні тварини і рослини, причому це не тільки сухопутні види; риби, що населяють перегороджену греблею річку теж можуть зникнути, оскільки гребля перепиняє шлях до місць нересту.

     Існують і інші аспекти, пов'язані з будівництвом водоймищ. У визначені періоди часу в році якість води у водоймищі і якість води, що випускається з нього, може бути на рідкість низькими. Протягом літа й осені нижні шари води у водоймищі можуть стати дуже збідненими на кисень. Нестача кисню обумовлена сполученням двох процесів. По-перше, неповним перемішуванням води у водоймищі протягом літа і ранньої осені. По-друге, бактеріальним розкладанням відмерлих рослин у донних шарах водоймища, що вимагає великої кількості кисню. Якщо ця бідна киснем вода випускається з водоймища, то наноситься шкода рибі й іншим водним організмам нижче за течією.

     Щоб створити перевагу більш високої  водної поверхні чи більш рівномірного стоку, фактично немає необхідності будувати греблю на вільному потоці річки. Частково відводячи воду верхнього плину, можна створити штучне озеро й осторонь від річки. Таке озеро має перевагу як висоти напору, так і постійно доступного водяного резерву.

На основі вищевикладеного  стає доцільно почати використовувати  енергію припливів, як альтернативу звичайним гідроелектростанціям.

     У припливах і відпливах, що змінюють один одного двічі на день, також зосереджена величезна енергія. Припливи - це результат гравітаційного притягання великих мас води океанів з боку Місяця і, у меншому ступені, Сонця. При обертанні Землі частина води океану піднімається і якийсь час утримується в цьому положенні гравітаційним притяганням. Коли «горб» підйому води досягає суші, як це повинно відбуватися внаслідок обертання Землі, настає приплив. Подальше обертання Землі послабляє вплив Місяця на цю частину океану, і приплив спадає. Припливи і відпливи повторюються двічі на добу, хоча їхній точний час змінюється в залежності від сезону і положення Місяця.

     Середня висота припливу складає усього лише 0,5 м, за винятком тих випадків, коли водяні маси переміщаються у відносно вузьких межах. У таких випадках виникає хвиля, висота якої може в 10-20 разів перевищувати нормальну висоту припливного підйому. Щороку найбільш високі припливи бувають тоді, коли Місяць і Сонце знаходяться майже на одній лінії, так що сумарний гравітаційний вплив збільшує обсяг переміщуваної океанської води.

     Робота  припливної електростанції. На ріці побудована гребля для затримки вод високого припливу. Коли припливні води відступають, затримана греблею вода випускається в океан через грушоподібні турбіни під греблею і виробляється електроенергія. Однак можна виробляти електроенергію як при відпливі, так і при припливі. Припливна хвиля затримується за греблею в результаті відкриття ряду донних затворів, що дозволяє їй рухатися нагору по річці в напрямку джерела. Затвори закривають тоді, коли приплив досягає найвищого рівня, а потім, по мірі відпливу, воді, замкненої за греблею, дозволяють стікати до моря через турбіни. При низькому рівні води, тобто при відпливі, велика частина цієї води спускається. Коли припливні води знову настають, вони зупиняються перед закритими затворами, і рівень води з боку моря перевищує їх рівень на стороні греблі, зверненої до суші. Після того як буде досягнутий достатній напір, воді дозволяють текти нагору по річці, проходячи через турбіни, і знову виробляти електрику. Таким чином, енергія виробляється за рахунок відпливу, і за рахунок припливу.

     Через величезну вартість цих споруджень уряди не налаштовані вкладати кошти  в припливну енергію. Такі станції  коштують у 2,5 рази більше цінової вартості річкової гідростанції з таким же середнім виробленням енергії насамперед через додаткову вартість захисних перемичок перед і за об'єктом. Але як тільки первісні інвестиції зроблені, вироблення енергії вже не вимагає ніякого палива. Необхідно тільки технічне обслуговування системи, і тому вартість енергії залишається низкою.

     Місця, де припливи могли б бути використані  для вироблення електроенергії, є  в усьому світі. Крім вартості спорудження  станції, у припливної енергії є  й інші негативні сторони. Якщо припливна станція знаходиться далеко від найближчого великого центра використання енергії, будуть потрібні довгі і дорогі лінії електропередачі. З іншого боку, така передача на великі відстані стає усе більш звичайною в міру створення нових і більш ефективних ліній.

     І нарешті, варто згадати ще одну негативну  рису припливної енергії - те, що її вироблення непостійне. Це легко зрозуміти, якщо на хвилину задуматися про її природу. При звичайній експлуатації припливної енергії електрика виробляється тільки на початку відпливу, тобто тоді, коли рівень води, запасеної в басейні, у достатній мірі перевищує її рівень у морі. В міру зниження рівня води в басейні вироблення електроенергії зменшується і біля нижньої точки відливу падає до нуля, оскільки різниця рівнів зникає. Якщо припливна станція обладнана реверсивними турбінами, то енергія може вироблятися і за рахунок наступаючого припливу, але тільки після того, як рівень припливу перевищить у достатній мері рівень води за греблею. Коли приплив досягає максимальної висоти, вироблення енергії знову наближається до нуля. Таким чином, крива вироблення енергії піднімається і падає двічі на добу відповідно до двох припливних циклів.

     Це  циклічне виробництво енергії навряд чи буде відповідати добовим потребам у ній. Пікова потреба і пікове вироблення можуть іноді збігатися, тому що години обох припливів зрушуються в міру зміни пори року, але найчастіше такого збігу не буде. Тому надходження енергії в мережу повинне якимось чином регулюватися. Це означає, що вироблення енергії іншими, центральними, станціями повинно звичайно знижуватися, коли темп припливного вироблення досягає максимуму, і зростати, коли він падає. Фактично енергія від припливної електростанції досить регулярно заміщає енергію, вироблювану за допомогою інших засобів. Якщо заміщається енергія, вироблювана станцією на вугільному паливі, то заощаджується вугілля.

     Біологічні  і фізичні наслідки будівництва  приливних електростанцій.  
Фізичні наслідки. Коли ми дивимося на припливи з їх загрозливою енергією, нам варто подумати про вплив на навколишнє середовище припливних басейнів. Зосередимося на фізичних змінах, що можуть відбутися з морської сторони припливної електростанції.

     Амплітуда припливу може збільшуватися усього лише на 30 см, але навіть така невелика зміна загрожує серйозними наслідками. Припливні води, що надходять, можуть піднятися на 15 см, а це здатне привести до вторгнення морської води в прибережні колодязі і створити загрозу для будівель, розташованих поблизу верхньої відмітки припливу. Можливе прискорення берегової ерозії, а низинні ділянки, включаючи дороги, будуть затоплятися, коли шторми і припливи, що збільшилися, об'єднають зусилля. Берегова смуга буде практично непридатна для використання через більш високі припливи. Оцінки площі берегової смуги, що може бути загублена через приливне затоплення, коливаються від 17 до 40 квадратних кілометрів. Звичайно, місцеві втрати залежать від крутизни схилу і характеру берега. Відплив, що може виявитися нижче на 15 см, здатний утруднити доступ до човнів і до води з причалів. Збільшена висота припливу може викликати надходження більш солоної води в устя річок і цим змінити співвідношення водних організмів, що живуть там. Зі збільшенням припливів виникнуть посилені припливні плини, на 5-10% більш швидкі, що може привести до розмивання і переносу піщаних відмілин і до заповнення піском існуючих судноплавних рукавів, а в результаті до необхідності складання нових навігаційних карт. Але в цьому випадку судна незабаром почнуть застрявати, у міру того як проходи будуть змінюватися через переміщення піску.

     Будівництво великої приливної електростанції може привести не тільки до місцевих біологічних  наслідків. У басейні за припливною станцією буде вплив на важливий біологічний  простір уздовж узбережжя океану. Ця смуга, називана приливною зоною, простягається від точки найвищого припливу (чи бризів від припливних хвиль) до нижньої точки, що оголюється при відпливі. (Обидві ці межі трохи зміщаються зі зміною часів року).

     У цій зоні біологічні угрупування  складаються, по-перше, з організмів, що проводять тут свій час чи велику частину його частину. На піщаних берегах живуть угрупування, що риють, такі, як краби, креветки, хробаки і деякі двостулкові молюски, а на скелястих - організми, прикріплені до скель (мідії, устриці, морські жолуді, великі водорості). У воді припливної зони мається ще один набір організмів - фітопланктон. Це діатомові водорості, перидинеї; вони приносяться і виносяться з водою припливів.

     Припливна енергія здатна змінити відносний  баланс між видами, що складають угрупування припливної зони. Ще зовсім не ясно, як личинкові стадії морських видів зможуть переносити прохід через турбіну. Більш того, можливо, що такі шкідливі організми, як перидинеї, що викликають «червоний приплив» (такі припливи приводять до загибелі риби й іноді роблять м'ясо молюсків отруйним для людей), виявляться в сприятливому положенні, а розмноження бажаних видів, таких, як краби чи устриці, може постраждати. Крім того, не відомо напевно, що прискориться в результаті будівництва станцій - ерозія чи відкладення осадових матеріалів.

     Поява припливної електростанції може не тільки вплинути на місцеві угрупування, але  і заподіяти шкоду мігруючим  видам. Прохід через турбіни електростанції навряд чи принесе цим видам користь. Для перекриття входу можуть бути використані сітки, але придатність сходових рибоходів як обхідний шлях усе ще залишається під сумнівом. Перелітні птахи, що годуються на солоних маршах, такі як пісочники і сивки, ймовірно, будуть знаходити менше їжі в приливному басейну за електростанцією через загибель організмів при проході через турбіну. Усе це локальні наслідки, але область їхнього впливу може зробити більш великою.

     Віддалені біологічні наслідки при використанні припливної енергії будуть обумовлені посиленням припливних плинів у результаті збільшення амплітуди припливів. Більш могутні припливні течії будуть порушувати температурну стратифікацію води, перемішуючи шари з різною температурою. Холодні шари, що лежать нижче, найбільш багаті поживними речовинами, що поступово осідають на дно. Тому з більш холодною водою в поверхневі шари буде надходити більше поживних речовин. Літня температура повітря і води може понизитися в середньому на 1 градус, і ймовірним наслідком цього буде посилення туманів і морських вітрів, а біологічна продуктивність, очевидно, збільшиться. Достаток водоростей і зоопланктону, швидше за все, зросте, так само як і чисельність організмів, що живляться ними, але ми недостатньо інформовані, щоб знати, яким конкретно видам це піде на користь, а яким - на шкоду. Біологічні неясності, зв'язані з будівництвом станцій на припливній енергії, поки дійсно дуже великі.