Энергия воды (гидроэнергия)

Энергия воды, или гидроэнергия, также является превращенной энергией Солнца. Падение воды издавна использовалось для вращения лопастные колес и турбин. Вода была первым источником энергии, а первой машиной, с помощью которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Более 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками: поток воды, отведенный из ручья или реки, давил на лопатки, передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки двигались, а поскольку они были жестко скреплены с валом, то вращался вал. К нему в свою очередь прикреплялось мельничный жернов, который вместе с валом вращалось относительно недвижимого нижнего жернова. Именно так работали первые «механизированные» мельницы для зерна. Но сооружали только в горных районах, где реки и ручьи были большие перепады и сильное давление.

Вода, которую еще в древние времена использовали для выполнения механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии, теперь уже электрической. Энергия падающей воды, вращает водяное колесо, служила непосредственно для размола зерна, распиловки древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на реках стали исчезать, когда в 30-х годах XIX в. началось производство электроэнергии у водопадов.

На современной гидроэлектростанции (ГЭС) масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода течет через защитную сетку и регулируемый затвор стальным трубопроводом к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генератору и там превращается в электрическую. После этого вода стекает в реку через туннель, постепенно расширяется, теряя при этом свою скорость.

По мощности ГЭС делятся на мелкие (с установленной мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (более 20 МВт); за давлением — на низконапорные (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (более 100 м). В отдельных случаях дамбы высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Они сосредотачивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень. Турбина — энергетически очень выгодна машина, потому что в ней вода легко меняет поступательное движение во вращательное. Тот же принцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи на водяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет о паровые турбины). На типовых ГЭС КПД нередко составляет 60−70%, то есть 60−70% энергии нисходящей воды превращается в электрическую.

Сооружение гидростанций стоит дорого, и они требуют значительных эксплуатационных затрат, зато их «топливо» бесплатное и ему не грозит никакая инфляция. Первоисточником энергии является Солнце, испаряет воду из океанов, морей и рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя выпадает в возвышенных местностях и стекает вниз к морю. Гидростанции строят на пути этого стока для перехвата энергии движения воды — энергии, которая в противном случае была бы израсходована на перенос отложений к морю.

Поэтому гидроэнергетика не совсем безвредной для окружающей среды.

Рассмотрим некоторые негативные последствия для природы, связанные с сооружением плотин на реках. Когда течение реки замедляется, как это обычно происходит при попадании ее вод в водоем, зависший осадок начинает опускаться на дно. Ниже водохранилища чистая вода, попадая в реку, гораздо быстрее размывает речные берега, будто восстанавливая тот объем осадков, который был утрачен в водохранилище. Итак, усиление эрозии и абразии берегов ниже по течению от водохранилища — обычное явление.

Дно водоема постепенно покрывается слоем осадков, который периодически выступает на поверхность или снова затопляется, когда уровень воды падает и поднимается в результате сброса воды или прилива. Со временем осадков накапливается столько, что они начинают занимать значительную часть полезного объема водохранилища. Это означает, что водохранилище, сооруженное для хранения запасов воды или контроля за наводнениями, постепенно теряет свою эффективность. Накоплению большого количества осадков в водохранилище можно частично предотвратить, если осуществлять регулярный контроль за количеством обломочного материала, снесенного потоками воды.

Невидимые до поры до времени кучи осадков, которые становятся видимыми только при низкого стояния воды в водоеме, — не единственная причина, по которой многие выступают против строительства плотин. Есть и другая, более важная: после заполнения водохранилища под водой оказываются ценные земли, без возможности восстановления. Исчезают также ценные животные и растения, причем не только сухопутные; рыбы, населяющие перегороженную плотиной реку, тоже могут исчезнуть, поскольку плотина преграждает путь к местам их нереста.

Есть и другие проблемы, связанные со строительством плотин и водохранилищ. В определенные периоды качество воды в водоеме и, соответственно, качество воды, выпускаемой из него, может быть очень низкой. В течение лета и осени нижние слои воды в водоеме беднеют кислородом, что обусловлено одновременным действием двух процессов: неполным перемешиванием воды и бактериальным расписанию отмерших растений в донных слоях, требует большого количества кислорода. Когда эта бедная кислородом вода выпускается из водохранилища, прежде всего, страдают рыбы и другие водные организмы ниже по течению.

Несмотря на все это, преимущества ГЭС очевидны — постоянно восстановительный самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды.

Сегодня для работы ГЭС на реках созданы водохранилища, часто даже каскады водохранилищ. Реальный гидроэнергетический потенциал всех рек мира оценивается в 2 900 ГВт, а практически для производства гидроэлектроэнергии используется менее 1000 ГВт. В мире сейчас работают десятки тысяч ГЭС. То есть пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала Земли. Ежегодно огромные потоки воды, образующиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. В случае задержания их с помощью дамб, человечество получило бы дополнительно огромное количество энергии.