A4) Водна або гідроенергія
Отримання відновлювальної енергії, основаної на воді, зокрема, відбувається з двох великих джерел: самого океану та водних потоків річного типу, які використовують силу гравітації водоспадів або проточної води, зазвичай у віддалених від моря річках. Останні, здебільшого, на практиці називають гідроелектричними і, як зазначалося раніше, вони на теперішній момент складають велику частину від наявної інфраструктури відновлювальних джерел енергії[654].
З іншого боку, величезний потенціал океану досі не використовувався навіть в межах найменшої частки своєї продуктивності. Можна без натяжок припустити, що при розумному зборі енергії як з різних механічних течій океанських вод, так і за допомогою використання різниць тепла, що є відомим як енергія температурного градієнта морської води (ЕТГМВ), одна лише потужність вод океану могла би також живити енергією весь світ[655] [656] [657]. Беручи до уваги нинішній рівень використання гідроелектричної енергії (дамби), описане раніше, цей розділ, проте, фокусуватиметься на потенціалі океану.
Найбільш промовисті потенційні можливості моря зараз проявляються у хвилях, приливах, океанських течіях, океанських термальних джерелах та осмотичній енергії. Хвилі першочергово спричинені вітрами; приливи – гравітаційним тяжінням Місяця; океанські течії – обертанням Землі; океанські термальні джерела є результатом дії сонячного тепла, абсорбованого поверхнею океанів; осмотична енергія є продуктом різниці у концентрації солей при зустрічі свіжої води із солоною водою.
Хвиля:
Було визначено, що світовий потенціал енергетичної корисності хвиль становить близько 3 ТВт[658] або близько 26 280 ТВт-год/рік при постійному видобутку. Це майже 20% поточного світового споживання. Такий обсяг енергії було встановлено, аналізуючи глибоководні регіони далеко від континентального узбережжя. Теоретична оцінка потужності оцінюється в 3,7 ТВт, де кінцева чиста цифра була скорочена приблизно на 20% для того, щоб компенсувати різноманітну неефективність (наприклад, льодовий покрив), пов’язану з певним регіоном. Виробіток енергії переважно визначається висотою, протяжністю й швидкістю хвилі та густиною води.
Нині застосування хвильових ферм або будівництво заводів із збирання енергії хвиль далеко від берега зіштовхнулося з обмеженнями в плані масштабності використання, то ж лише близько шести країн зрідка застосовують цю технологію[659]. Найбільш сприятливі місця для розміщення таких станцій – західне узбережжя Європи, північне узбережжя Великобританії, тихоокеанське узбережжя Північної та Південної Америки, узбережжя Південної Африки, Австралії та Нової Зеландії.
Припливи та відпливи:
Приливи та відпливи мають дві підформи: діапазон та потік. Діапазон приливу – це, по суті, «підняття і опускання» областей океану. Потік приливу – це течії, створені періодичним рухом припливів та відпливів, які часто посилюються завдяки формі морського дна.
Різні області Землі мають велику різницю в діапазонах[660]. У Великобританії, в області з високою активністю припливів і відпливів, було помічено десятки доступних місць, при застосуванні припливно-відпливної енергії яких, як прогнозується, можна було б забезпечити 34% всього споживання енергії країни[661]. Давніші дослідження показали, що продуктивність приливно-відпливної енергетики на глобальному рівні складає 1800 ТВт-год/рік[662]. Свіжі дослідження показали теоретичну продуктивність (як діапазону так і потоку) в 3 ТВт, за умови лише часткового їх використання[663].
Тоді, як припливи та відпливи є достатньо передбачуваними, вони також підлягають щоденним періодам перемінності, базуючись на чергуванні припливів та відпливів. Припускаючи, що маючи основу лише на цій прогресивній технології можна зібрати 1,5 ТВт на рік, це означає що близько 7% всієї світової енергії може бути отримано з припливів та відпливів.
Океанські течії:
Так само як і з припливно-відпливними потоками, океанські течій проявляють велетенській потенціал. Ці течії протікають у відкритому океані постійно, тож розробляються різноманітні новітні технології для того, щоби використовувати це здебільшого не застосоване середовище.
Теж і з усіма відновлювальними джерелами енергії, продуктивність при використанні цього потенціалу напряму залежить від ефективності застосовуваних технологій. Виконавче управління з екології навколишнього середовища (англ. «EOEA») оцінює поточний потенціал в 400 ТВт-год/рік[664]. Втім, існують всі підстави припускати, що ця цифра є застарілою. Попередні застосування турбін та технологій млинного типу для ловлі таких водних потоків потребували в середньому потік швидкістю п’ять або шість вузлів, щоби працювати ефективно, в той час як більшість потоків на Землі течуть повільніше, ніж три вузли[665]. Однак нещодавні розробки показали можливість отримання енергії з водних потоків швидкістю менше, ніж два вузли[666]. Зважаючи на такий потенціал, можна припустити, що лише одні океанські течії мають змогу живити весь світ електроенергією[667].
Потенціал Гольфстріму[668] оцінюється в 13 ГВт фактичної продуктивності, припускаючи, що 30% ККД припадає на більш традиційні турбінні технології[669]. Це дорівнює 13 000 МВт або, при постійному використанні потоку протягом року, близько 113 880 000 МВт-год/рік[670]. За оцінками, Сполучені штати в 2011 році споживали 4,1 мільярди МВт електроенергії[671]. Це означає, що 30% від споживання електроенергії США[672] може покриватися одним лише Гольфстрімом. Знову ж таки, всі ці обрахунки здійснені, припускаючи використання лише устояних технологій.
Осмотична енергія:
Осмотична енергія, або енергія сольового градієнту – це енергія, яка отримується завдяки різниці концентрації солі в морській та річній воді. Норвезький центр відновлювальної енергетики (англ. «The Norwegian Center for Renewable Energy», «SFFE») оцінює її глобальний потенціал у близько 1370 ТВт-год/рік[673], інші оцінюють його приблизно в 1700 ТВт-год/рік[674], або в еквіваленті половини всього попиту на електроенергію в Європі[675].
Зараз осмотична енергетика перебуває на своєму початковому етапі, та її використання завдяки прогресивним технологіям є багатообіцяючим. Електростанції можуть, в принципі, будуватися будь-де, де прісна вода стикається з морською водою. Вони можуть виробляти електроенергію 24 години на добу 7 днів на тиждень, незалежно від погодних умов.
Океанська термальна енергетика:
Завершальним способом видобутку енергії океану, який варто зазначити, є енергія температурного градієнта морської води (англ. «Ocean thermal energy conversion, OTEC»). При використанні різниці температур на поверхні океану та на його глибині, тепліша вода з поверхні використовується для нагрівання такої рідини, як, наприклад, нашатирний спирт, яка переходить у газоподібний стан і при розширенні приводить у дію турбіну, яка, своєю чергою, виробляє електроенергію. Потім рідина охолоджується завдяки холодній воді з глибин океану і повертається у рідкий стан, таким чином процес повторюється знову і знову.
З усіх джерел енергії, які базуються на океані, енергія температурного градієнта морської води має найбільший потенціал. За оцінками, не завдаючи шкоди температурній структурі океану, можна вироблятися 88 000 ТВт-год/рік[676]. Ця цифра може і не виражати загальну корисну продуктивність, та вона імовірно означає, що понад половина всього поточного глобального споживання енергії може задовольнятися однією лише енергетикою температурного градієнта морської води. На 2013 рік більшість наявних електростанцій, які використовували метод енергії температурного градієнта морської води, були експериментальними або дуже малими за своїм масштабом. Проте, було запущено кілька великих проектів промислових масштабів, включаючи електростанцію потужністю 10 МВт біля берегів Китаю[677] та електростанцію потужністю 100 МВт поблизу Гаваїв[678]. Одна лише позаберегова електростанція потужністю 100 МВт може теоретично живити електроенергією весь Великий Острів Гаваї[679], тобто – 186 000 людей, згідно з переписом 2011 року.
На завершення цього підрозділу, присвяченого видобутку енергії з океану, у відповідності до попередніх категоріальних оцінок, які було зроблено для сонячної, вітрової та геотермальної енергетики, варто розглянути загальний, комбінований (значною мірою – поміркований) потенціал кожного зазначеного середовища. Коли це, звісно, буде грубою екстраполяцією, оскільки існує багато комплексних змінних, включаючи той факт, що певні застосування все ще є напівекспериментальними і складними для їх відповідної оцінки, ця загальна цифра все таки допоможе усвідомити найбільш широку перспективу щодо потенціалу відновлювальних джерел океану. Ось список всіх зазначених глобальних потенційних можливостей:
Хвилі: 27 280 ТВт-год/рік
Припливи та відпливи: 13 140 ТВт-год/рік (1,5 ТВт × 8760 годин)
Океанські течії: 400 ТВт-год/рік (давні оцінки при застарілих технологіях)
Осмотична енергія: ~1500 ТВт-год/рік (середній показник зазначених статистичних даних)
Океанська термальна енергетика: 88 000 ТВт-год/рік.
Якщо скласти їх разом, ми отримаємо 130 320 ТВт-год/рік або 0,46 ЗДж на рік. Це приблизно 83% поточного світового споживання (0,55 ЗДж). Важливо відзначити, що такі цифри частково зумовлені традиційними технологіями, без урахування коригувань, що їх здатні внести недавні удосконалення. Якщо ми додамо до рівняння традиційну гідроелектричну (основану на потоках води) енергетику, яка, відповідно до даних Міжнародного енергетичного агентства (IEA), має потенціал в 16 400 ТВт-год/рік[680], то ця цифра зросте до 146 720 ТВт-год/рік, або 96% поточного світового споживання.
(b) Маломасштабні або загальні системи змішаного використання
У попередньому розділі був описаний широкий потенціал великомасштабного видобутку енергії базового навантаження з відновлюваних джерел. Вітер, сонце, вода, гідроджерела, а також геотермальні джерела показали, що вони окремо здатні задовольнити або досить сильно перевищити поточне щорічне споживання в 0,55 ЗДж.
Правильним питанням є те, як розумним чином реалізувати такі методи на практиці. Враховуючи регіональні обмеження в поєднанні з іншими місцевими проблемами, як наприклад, з переміжністю, потрібна справжня дизайнерська ініціатива для створення придатної до роботи комбінації таких засобів. Такий системний підхід є реальним рішенням, яке гармонізує оптимізовану частку кожного з цих відновлювальних джерел для досягнення глобального всезагального споживацького достатку.
Наприклад, це не є чимось неймовірним – уявити собі серію створених людиною островів, плаваючих далеко від узбережжя, які спроектовані для можливості видобутку енергії одразу з вітру, сонця, термальної різниці, припливів і відпливів, хвиль та океанських течій – все водночас і в одному місці. Такі енергетичні острови потім би передавали зібрану енергію назад на сушу для її використання людиною. Різноманітні комбінації могли би також застосовуватися і для наземних систем, наприклад, створення вітрової та сонячної комбінації враховуючи той факт, що вітер часто є більш доступним вночі, в той час як сонце доступне протягом дня.
Ба більше, творча винахідливість щодо того, як ми можемо розумно поєднувати різноманітні методи також поширюється і на те, що маємо змогу розглядати як локалізований видобуток енергії. Менші за своєю масштабністю відновлювальні методи, які підходять для одиничних структур або невеликих областей, мають ту ж саму системну логіку, що стосується комбінування. Такі локалізовані системи за необхідності могли б також об’єднуватися у більші системи базового навантаження, створюючи загальну інтегровану систему отримання енергії зі змішаних середовищ.
Загальнопоширеним прикладом сьогодні є використання єдиної структури сонячних панелей, як це відбувається із застосуванням на рівні будинку. Незважаючи на те, що ефективність цих панелей продовжує удосконалюватися, в поєднанні з введеними грошовими обмеженнями через ринковий механізм інвестицій та прибутку, більшість людей, які використовують ці системи сонячної енергії, можуть дозволити їх собі лише на рівні домашнього споживання, аніж покрити ними всі 100%. (Наприклад, більшість систем застосовуються для того, щоб живити електроенергією будинок протягом дня, тоді як вночі енергія отримується з регіональної мережі базового навантаження). Такий підхід, при якому шукається максимізація використання можливостей локально, перш ніж вдаватися до споживання енергії з вищого рівня, тобто системний підхід, є ключем до практичного достатку енергії, ефективності та стійкості.
Для того, щоб у більш повній мірі зрозуміти його доречність, розширмо приклад домашнього застосування панелей сонячних батарей до його можливого теоретичного потенціалу. В 2011 році середньостатистичне річне споживання електроенергії для житлового господарства (будинку) США складало 11 280 кВт-год[681]. Враховуючи, що в 2010 році налічувалося 114 800 000 будинків[682], це означає, що споживалося близько 1295 ТВт-год/рік. Загальне споживання електроенергії в 2012 році для США становило 3 886 400 000 МВт-год/рік[683]. Це означає, що 33% всього споживання електроенергії відбувалося в будинках людей, причому більша частина цієї енергії надходила з електростанцій, які працювали на викопному паливі.
Якби всі будинки в Сполучених Штатах змогли забезпечити себе електроенергією, використовуючи тільки сонячні батареї, таке локалізоване використання енергії значною мірою зменшило б навантаження на базові мережі. Всупереч переконанням людей, станом вже на 2013 рік це було реальною можливістю, враховуючи рівень ефективності сонячних батарей та технологій зберігання електроенергії[684]. Проблема в тому, що сучасна енергетична промисловість не готова до такої ефективності, а наявні споживчі сонячні системи потерпають від високих фінансових затрат в результаті обмеженого масового виробництва, конкуренції та браку соціальної ініціативи.
Тут варто зазначити, що фінансова система та її орієнтовані на ціну механізми є бар’єром для повсюдного та оптимізованого розвитку домашніх сонячних систем в широкій перспективі (так само, як це відбувається з розвитком будь-якої іншої технології після певної моменту затвердженої ефективності). В той час як захисники капіталізму стверджують, що процес ринкового інвестування в товари, які мають попит, в загальному з плином часу зменшують собівартість цих товарів, що робить їх більш доступними для тих, хто не міг їх собі дозволити раніше, вони часто забувають, що весь цей процес є вигадкою.
Якщо з системи прибрати ціну та прибуток, сфокусувавшись лише на технології та її статистичних заслугах, як на теперішній момент, так і беручи до уваги її довготермінові тенденції ефективності (майбутні покращення), то для того, щоби набагато швидше донести до населення багатообіцяючі технології, можна було би застосовувати дослідження та стратегії відповідного розподілу ресурсів. У випадку сонячних батарей для домашнього генерування електроенергії, враховуючи їх неймовірну продуктивність, яку вони мають для того, щоби полегшити тиск базового енергетичного навантаження, що своєю чергою на сьогодні зменшило б емісію та забруднення, пов’язані з викопним паливом. Дуже шкода, що при таких обставинах ця технологія і її застосування є об’єктом забаганок ринку[685].
Якщо ми розглянемо комерційні витрати середньостатистичних сонячних батарей на 2013 рік, то побачимо, що при середньому домашньому споживанні в 11,280 кВт-год на місяць потрібно було б близько 30 панелей із ефективністю сонячних батарей близько 9-15% та системою батарей для нічного часу. Це б коштувало понад $20 000[686]. Такі витрати є непосильними для більшості населення світу, хоча навіть базові матеріали, які застосовуються в традиційних системах фотовольтаїки є простими та перебувають у достатній кількості, що супроводжується постійним полегшенням виробництва.
Також, на жаль, сучасне будівництво має мало спільного із застосуванням інших базових місцевих відновлювальних методів, які можуть ще більше сприяти реальній можливості світу привести всі будинки (не лише в США, а й в усьому світі) до енергетичної незалежності.
Беручи до уваги потужність сонця, можливими є також інші майже універсальні застосування. Поряд з невеликими системами видобутку енергії з вітру[687] та технологією геотермального нагріву й охолодження[688], в поєднанні з архітектурним дизайном, що робить кращим використання природного світла та піднімає ефективність збереження тепла й холоду[689], існує спектр дизайнерських корегувань, які можуть зробити квартири й будинки не лише самодостатніми, але й також більш екологічно стійкими. Поєднуючи це з системами повторного використання задля збереження води, разом з іншими підходами для оптимізації ефективності енергії та ресурсів, стає очевидним, що наші поточні методи є неймовірно марнотратними, порівняно з такими можливостями.
Продовжуючи тему міської інфраструктури, ми бачимо ті ж самі помилки майже скрізь. Наприклад, велетенська сума енергії витрачається в процесі транспортування. Так само, як і з електричними транспортними засобами, що доказали свою життєздатність для повного глобального використання, незважаючи на лобіювання інтересів та інші ринкові обмеження, що продовжують утримувати це застосування далеко позаду бензинових паливних норм, багато системних методів також залишаються незастосованими.
Окремо від загальної необхідності реорганізувати міське середовище для того, щоб зробити його сприятливішим для зручної мережі громадського транспорту, усуваючи потребу в численній кількості автономних транспортних засобів, просте повторне використання механізованих рухів всіх транспортних середовищ могло б значною мірою полегшити енергетичний тиск.
Технологія під назвою «п’єзоелектрика»[690], що може перетворювати тиск та механічну енергію в електроенергію, є прекрасним прикладом методу повторного використання енергії, який має велетенський потенціал. Наявні методи включають генерування енергії людьми, які проходять по сконструйованій п’єзопідлозі[691] та тротуарах[692], вулиці, які можуть генерувати електроенергію, коли автомобілі проїжджають по них[693], та залізничні системи, які також можуть вловлювати енергію тиску при проходженні по них залізничних вагонів[694]. Аерокосмічний інженер Хаїм Абрамович зазначив, що відрізок чотирисмугової дороги завдовжки менше милі із завантаженістю близько 1000 машин на годину може генерувати орієнтовно 0,4 МВт електроенергії, чого було б достатньо, щоб живити 600 будинків[695].
Інші теоретичні застосування значною мірою поширюються на все, що пов’язано з тиском чи діями, включаючи незначні вібрації. Наприклад, існують проекти, які працюють над використанням, здавалося б, мізерних обсягів енергії – наприклад, зарядка телефону від натискання кнопок, коли Ви набираєте текст, або ж у момент, коли Ви просто торкаєтеся телефону чи робите ним якісь рухи[696] [697]; застосування, при якому енергія отримується з повітряного потоку літаків[698]; та навіть електричні автомобілі, які частково використовують п’єзотехнологію для того, щоб зарядитися під час подорожі[699].
Якщо ми подумаємо про велетенську кількість механічної енергії, яка марнується транспортними засобами та високозавантаженими пішохідними центрами, як наприклад, центральними вулицями, то потенціал можливості такого генерування енергії є досить значним. Це той вид системного мислення, який є необхідним для того, щоби підтримувати стійкість, активно намагаючись при цьому досягнути глобального енергетичного достатку.