От разрушительных цунами до уноса течением во время купания на пляже, мы врожденно знакомы с силой и мощью движущейся воды. Древние римляне использовали водяные мельницы для превращения зерна в муку; Валлийские горняки использовали энергию воды для извлечения ценных металлов из земли еще в первом веке нашей эры.
Сегодня такие гиганты, как плотина Гувера и плотина Гранд-Кули, являются наиболее известными примерами производства гидроэлектроэнергии, но их время истекает. Долгая история обрушения плотин и крупномасштабного разрушения окружающей среды лишила крупные плотины статуса основного источника электроэнергии, вырабатываемой водой, и разрабатывается широкий спектр новых методов и технологий, чтобы сделать гидроэнергетику источником энергии будущего.
В поисках лучшей энергии
Гидроэнергетика в настоящее время является крупнейшим источником возобновляемой энергии в стране, и Министерство энергетики США работает над тем, чтобы сделать ее более эффективной и экологически чистой.
Четыре области представляют собой будущее гидроэнергетики: энергия приливов, энергия морских течений, энергия волн и осмотическая энергия. В откровенной заметке на своей исследовательской странице Министерство энергетики признает: «Каждый проект, связанный с приливами и морскими течениями, сталкивается с проблемой экономической эффективности, и кладбище изобретений полно проектов, технически жизнеспособных, но экономически обреченных на гибель».
Но это не значит, что они не пытаются. Более двух третей исследовательского бюджета его гидроэнергетической программы посвящено разработке новых технологий; в нем перечислены более 300 проектов на разных стадиях, которые работают над преобразованием энергии движущейся воды в электричество для питания наших домов, устройств и автомобилей.
Проходя мимо мегаплотин
В отличие от обычных плотин, которые останавливают течение рек и постепенно выпускают воду для выработки электроэнергии, новые идеи в области гидроэнергетики сосредоточены на получении выгоды от движущейся воды, а не на ее контроле. Основная идея проста и очень похожа на энергию ветра: размещайте турбины в месте, где вода будет вращать их и производить энергию.
Хотя вода не движется так быстро, как ветер, она более плотная и генерирует больше энергии на квадратный фут. (Обратной стороной этой энергии является то, что подводные турбины должны быть построены таким образом, чтобы выдерживать большую силу, чем ветряные турбины.) Это более надежно, чем ветровая и солнечная энергия; приливы, океанские течения и волны предсказуемы и не уменьшаются с облачным покровом.
Приливная сила
Существует несколько способов получения электроэнергии из приливов и отливов. Приливные заграждения являются наиболее распространенными; в основном это плотины, обычно сооруженные на входе в залив. Вода входит и выходит через шлюзовые затворы, вращающиеся турбины.
Приливная электростанция Ранс в Бретани, Франция, работает с 1966 года, и в середине 1990-х годов ее превзошла южнокорейская приливная электростанция на озере Сихва как самая производительная в своем роде. Хотя шлюзовые затворы спроектированы как пористый барьер, они по-прежнему изменяют уровень воды в устьях рек и создают экологические проблемы, подобные тем, которые вызывают большие плотины.
Приливные заграждения с турбинами с вертикальной осью дешевле и менее разрушительны, чем заграждения, но могут мешать крупным морским животным. Приливные турбины работают так же, как ветряные турбины; отдельные столбы встроены в морское дно.
Мощность морских течений
При оценке потенциальной энергии, которая может генерироваться океанскими течениями, Министерство внутренних дел отметило, что захват всего 0,1 процента энергии Гольфстрима может удовлетворить 35 процентов годовых потребностей Флориды в электроэнергии. Иными словами, в Гольфстриме содержится в 21 000 раз больше энергии, чем в Ниагарском водопаде.
Задача заключается в том, чтобы установить турбины на морское дно или на подводные платформы и поддерживать их в рабочем состоянии. Одна идея, предложенная Даррисом Уайтом из Авиационного университета Эмбри-Риддла во Флориде, заключается в том, чтобы не зацикливаться на удержании турбин на месте. Уайт работает над автономными турбинами, которые будут действовать как стаи рыб, путешествуя по течению и общаясь друг с другом через датчики.
Мощь волны
Серферы и бодибордеры знают, насколько мощной может быть большая волна, и ученые тоже находят этот запах. На сегодняшний день Pelamis Wave Converter является наиболее развитой технологией преобразования волн в электричество. Красная машина длиной 600 футов состоит из соединенных вместе цилиндрических секций, плавающих на поверхности океана. Волны заставляют секции сгибаться и изгибаться, генерируя энергию.
В мае 2010 года компания Pelamis запустила устройство у берегов Шотландии и надеется, что в следующем десятилетии в морях по всему миру появятся еще сотни таких устройств. Совсем недавно была предложена еще более впечатляющая технология: британский дизайнер Фил Паули работает над морскими солнечными батареями, соединенными паутиной, которые будут собирать как солнечную, так и волновую энергию.
Осмотическая сила
Отливы, океанские течения и разбивающиеся волны - все это достаточно легко понять, но немного сложнее увидеть, как осмос вписывается в будущее гидроэнергетики. Когда морская вода и речная вода разделены мембраной, которую может пересечь только последняя, осмос естественным образом сближает их. В результате потоки солоноватой воды обладают достаточной кинетической энергией для выработки электроэнергии.
Если это кажется немного сложным, представьте, что вы пытаетесь сделать это на самом деле. Но за последние несколько лет произошел большой прогресс в технологии, в частности, была разработана дешевая и достаточно надежная мембрана для коммерческого использования. Положительным моментом является то, что время суток, погода и сезон не играют роли в этом процессе, а значит, все проще контролировать. Обратной стороной является то, что уровень солености в водоемах неизбежно меняется, что затрудняет выживание рыб и других морских видов.
Что готовит будущее
Хотя невозможно сказать, какой из этих методов принесет больше плодов, чем другие, и какие технологии будут изобретены для использования новых источников гидроэнергии (воды, вытесненной китами? пушечных ядер в плавательных бассейнах?), это безопасный Держу пари, что в будущем большая часть нашей энергии будет поступать из 70 процентов планеты, покрытых водой.
Экологические соображения должны быть тщательно взвешены, особенно с учетом того, что основной мотивацией для разработки новых источников энергии является отказ от ископаемого топлива. Но я ставлю на то, что через пять-десять лет приливные бассейны, течения, подобные Гольфстриму, и прибойные волны вокруг семи морей будут поддерживать свет.