详细了解水电的潜力

现在将太阳能，风能和潮汐能分为三个“盒子”，让我们继续前进，研究另一种非化石能源，并将其放入盒子中。今天，我们将看一下水力发电。作为最早被开发的可再生能源之一，水力发电是可再生能源发展的低谷。它稳定，自我存储，高效，具有成本效益，低碳，低技术，并为滑水者带来了巨大的福音。我卖了！让我们拥有更多！我们期望从水电中获得多少收益，与其他可再生资源相比，其作用将有多重要？

上周，当我将潮汐能放进标有“浪费时间”的盒子中时，我收到了一些应得的抗议声。我看到了它的到来，并用文字来减轻“时间的浪费”。标签。但这从一开始就是一个糟糕的选择。更好的标签集是“丰富”。有力的和“小生境”。最后一个也可以被认为是“精品店”。它可爱，也许是装饰性的，可以起到某些作用，但永远不会成为沉重的负担。“有力”标签以前是“有用的”旨在表明一种来源，如果得到充分利用，它可以满足我们全球需求的健康部分（例如超过四分之一）。我们将永远不会充分利用任何资源，因此在我们相信它可能发¼挥重要作用之前，至少需要数字支持规模。

我还应该指出，一直以来，我的方法是假装我们的目标是在后化石燃料时代保持我们当前的能源标准。在此过程中，我们将看到这样做的难度。这绝不是不可能的，但是它比大多数人意识到的要困难和折衷得多。最后，目前尚不清楚我们是否会维持目前的全球能源使用率：未来未成文。从积极的一面来看，我对“小生境”采取了一些方法。盒子可能会变成“有力的”在缩小的世界中。柴火曾经很丰富，后来又变得强大起来，现在已经成为利基市场。但是命运的逆转可能会改变这一切。

水电基础知识

我可能听起来像是破纪录，现在在几篇文章中介绍了水电的基本物理学。但是我们通过重复学习，对吗？因此，本着自我约束的精神，我们开始吧？¦

水电大坝利用了重力势能的存储。质量，m，相对于重力升高的高度，h，g = 10 m ²/ s，被赋予势能E = mgh。如果输入以米，千克和秒（MKS或SI单位）表示，则结果将以焦耳为单位。水的密度为？= 1000 ³kg / m3，因此，如果我们知道每秒有多少立方米的水流过大坝（F），则大坝可用的功率将为P = ?? Fgh。我们插入了吗？代表大坝的效率通常为90％（0.90）。

大坝后面的水高是势能计算的相关高度，即使在大坝底部收集了一定的水量也是如此。这是因为上方水的压力提供了动力。在没有涡轮机或其他限制的情况下，水将从压力管道以v = sqrt（2gh）的速度流出，因此流量F将需要面积A = F / v。例如，如果底部有一个大洞，高222 m的胡佛水坝（在米德湖已满的时候！）将以惊人的67 m / s（150 m.p.h.）的速度喷水。在标称流速为1000 m / ³s时，这对应于直径约4 m的孔。我认为我们应该这样做。

现在，如果允许水从大坝底部射出，涡轮机的工作就是提取水会产生的一些动能。结果，它以更加稳定的速度出现。水力发电大坝中10％的效率低下是由于发电机效率低下造成的，而有些则是因为您无法从水中取出所有动能，否则动能会停止流动并阻碍下一批的流动。但是这里的性质是善良的，因为动能是速度的平方。因此，耗能水的速度为sqrt（1？?).因此，如果我们将96％的能量从水中抽出，其流速将是自由流量值的20％（在前述示例中为13 m / s）。或者我们可以以10％的出口速度（7 m / s或15 m.p.h.）抓取99％。这听起来更加合理……并且似乎是一个很好的讨价还价。现在所需的面积相应地扩大了，但这就是大型涡轮机/油库的用途。

水电实践

美国安装了78吉瓦的水力发电能力。这些植物一年的产量为272 TWh。一年除以8766小时，我们发现平均功率为0.031 TW（31 GW）。这意味着40％的容量系数。我对此感到惊讶：我以为水坝在整个生命周期中都以稳定的速度运转。季节性变化显然比我所欣赏的要大得多。融雪是其中一个因素。

目前的贡献

目前，我们的能源中有多少部分来自水力发电？这样一个简单的问题值得一个简单的答案。然而，数字无处不在。艰难的答案是，美国每年交付的272 TWh电力相当于一次能源使用量的0.9％，或与电力相关的一次能源的2.3％。在交付的电力中，占7.3％。这种变化的很大一部分是由于有效水电与热机之间的苹果橙比较，后者仅将其一次能源的35％转换为有用能源。例如，美国能源部的年度能源审查（其数字在LLNL图形中有详尽描述）人为地夸大了水电的贡献，使其与化石燃料的投入处于同一地位。但是，无论您想切成薄片，水力发电的作用还是很小的。

全球水电潜力

现在有趣的部分。理论上可以实现多少水力发电？水电正在利用雨水循环提供的剩余势能。看一下地球的能源预算，结果表明，高达23％的太阳能预算用于蒸发水！水循环非常重要。

每克水需要2250焦耳的能量才能蒸发。将水提升到大气中需要更多的势能。将一克10,000 m高的水（对流层顶部）提升到100 J相对较小。由于必须首先蒸发掉所有被陆地捕获并用于水力发电的水，因此可以说，如果所有的水都被解除了到10公里（不是，但请耐心等待，以便进行简单的数学计算），然后将1％的太阳能预算用于起水。当2250 J这样的数字与太阳能预算的23％整齐地对齐时，我会喜欢它！

较低的大气层比高层的大气层含有更多的水-主要是因为空气随着高度的升高而变凉，并且可以容纳更少的水分。但是，云代表凝结的水，并且一直到10公里，显然可以包含大量的水。如果水在对流层中均匀分布，则其内的平均水位约为5 km。考虑到非均匀轮廓，我将使用2 km的平均高度。因此，我们将提升系数调整为入射太阳能的0.2％。

然后下雨。而且，由于水滴以不负责任的方式从天上掉下来，大部分的存储能量都被浪费了，而没有考虑到我们的需求。当水落到地面上时，土地的平均高度为“我猜”为500 m。由于势能与高度成线性关系，因此我们可以通过这种方式使用简单的平均值。如果在将水返回海中时能捕获势能的所有剩余部分，则将获得0.05％的太阳势。但这仅在陆地上有效，陆地占地球表面的28％。现在我们降至0.014％。

不要绝望了。太阳能潜力巨大。这些百分比都与大气层顶部的入射能量有关：1370 W² / m²超过？R平方米变为175,000 TW。因此，我们的0.014％为25 TW。我们的全球能量饮食约为13 TW，所以我们参与其中。

我们可以采用另一种方法来检查我们是否在正确的轨道上。如果全球每年的平均降雨量平均为0.5 m（20英寸），并且通常落在海拔500 m以上的陆地上，那么我们可以将势能合计并除以一年中的秒数即可获得电能。我用这种方法计算了11 TW，所以是的。我们的猜测是合理的。我对每年0.5 m的降雨的猜测可能有点低，但这也许可以弥补这一事实的不足。现在，大自然比高地降雨更多。现在，大自然提供了便捷的集水系统，将落在土地上的水集中到溪流，河流和湖泊中。这种自然的集中度是使这种分散式电源完全可用的原因，这就是为什么水力发电是现代可再生能源的先驱（我跳过非现代的柴火的原因）。

但是，尽管这种收集系统很方便，但大部分能量在流向河流的途中都损失了。想想一下，在找到足够大的水坝以盈利之前，落在院子或山坡上的水滴必须经过的过程。显然在收集过程中有摩擦，否则在500 m的斜坡底部，水将以100 m / s（220 m.p.h.）的速度尖叫。最后，我们必须接受在大坝后面收集的静态水的高度：实际上，是没有动力收集的。

我会做一个粗略的猜测，将导致河流/溪流的收集过程中损失的能量减少两倍。我的直觉说我在这里可能很慷慨。无论如何，我们正在处理全球潜力6到12 TW附近的事物。对于美国，占世界陆地面积的7％，这变成0.4到0.8 TW。

目前，美国的水电装机容量为78吉瓦（其中每年平均装机容量为31吉瓦）。世界上安装了大约1 TW，每年平均可能实现400 GW。因此，已实现的能力比我们对全球潜力的粗略估计低10倍或更多。这是否意味着我们可以发疯，将水电发展到惊人的新水平？我应该为圣诞节索要滑水板吗？

现实评估

我不想放弃我们在这里所做的自上而下的方法。毕竟，如果有人试图告诉我水电可以提供超过25 TW的功率，我会知道地球的基本物理学不允许这样做。但与此同时，我们设定的上限并没有考虑到所有实际问题，例如具有已知流量和具有筑坝潜力的实际河流。因此，我转向一项研究，该研究花了更多的时间解决我的日常工作以外的个人问题。具体来说，Eurelectric集团的一份报告通过四个级联步骤评估了全球水电潜力：

1.如果所有径流均无损失地发展到海平面，则具有巨大潜力； 2。技术潜力，无视经济限制； 3。经济上可行的潜力，与其他来源的成本竞争； 4。可开发的潜力，考虑到环境和其他限制。

第一步，他们获得了5.8TW’，这与我的估计值相差无几（我发誓我并没有作弊：在撰写以上各节之前，我没有查看任何估算值）。其他评估为4.4 TW，4.6 TW和5.1 TW。

为了技术可行性，这些相同来源在全球范围内估计为1.6到2.3 TW。经济可行性（在今天的经济环境中）将其降低到1.0到1.4 TW。环境限制（在今天的气候下）进一步降低了这一数字。因此，在世界范围内发展了0.4 TW（使用年平均产出与研究进行适当的比较），世界也许可以扩展2到5倍。这是一个很大的范围：两个倍数是不。那不是很多，而系数为5则是一个很大的跃升。真的在哪里？

在美国，爱达荷州国家实验室估算的总潜力为0.3 TW，技术潜力为0.17 TW。后者是在对500,000个潜在地点进行研究后确定的，其中13万个被削减。还估计没有水电容量的现有大坝可增加0.013 TW（13 GW）。因此，根据这份报告，在美国这里，我们可以扩大5倍，而忽略了经济和环境方面的障碍。这样的提升将使水力发电占我们总能源的5％，如果校正热机效应（占我们电力的40％），则将达到12％。我看到其他报告对我们的扩张潜力不那么乐观，接近将目前的产能增加一倍-可能是出于经济和环境方面的考虑，并且与估计的全球潜力范围的下限一致。

哪个盒子？

在全球潜力约为我们当前能源规模的10％的情况下，我的最初反应是将水力发电投入“利基市场”？带有潮汐的盒子，因为我的标准是理论上资源应能够满足我们需求的四分之一，因此被贴上“有力”标签，这恰好与什么石油，天然气相符，和煤各自今天交付给我们：都是暂时的“有力”据此推算来源。如果我们认为常规电力生产中的热力学损失不适用于水力发电，我们可能会倾向于将其提高到“有效”水平。类别。但是我不需要这样做是为了风，当然也不需要太阳能。即使提高了5分，即使提高幅度也不能使其超过美国最高水平（12％）。增加水电开发。所以我想我会把它留在适当位置。这是一个边界电话（真的，毫无意义）。海德鲁击败潮汐的裤子，目前已被全世界广泛使用。但这确实使它成为当今能源使用率中的佼佼者。

几乎所有可再生资源都被稀释，并且在被采用方面面临着巨大的环境障碍。大坝并非没有争议。它们从根本上改变了景观和自然生态系统。随着时间的推移，它们会淤积并失去容量。如果发生故障，它们可能对下游定居点造成长期威胁（而且所有大坝总有一天会发生故障-他们确实没走那么久）。当推到顶峰时，我们可能愿意忽略美学和环境问题。我宁愿在格伦峡谷徒步旅行，也不愿听鲍威尔湖上的摩托艇滑雪（在化石燃料短缺的情况下，也许我不必这样做），但是在能源下降的困境下感到压力，我们可以集体做出选择吗？鲍威尔湖已经提供了一个答案。当然，水坝需要大量的前期（能源）投资，因此容易受到“能源陷阱”的影响。因此，在紧要关头，我不确定我能否预测我们会做什么，或者我们的选择是否完全合理。

在水力发电中，我们再次面临以下问题：即将到来的化石燃料短缺根本上不是电力短缺问题。因此，大多数“解决方案”到目前为止，我受打击的问题并未解决液体燃料的最根本，最直接的危机。总的来说，我是水力发电的爱好者，我很高兴自然能为我们完成大部分工作。尽管如此，我的共同思想并没有使我大为放心，因为它远远低于我们目前的需求，这是另一种发电方式。这是来自大自然的礼物，但是就像为圣诞节再添一条领带，我对增加水坝的前景并不感到兴奋。

通过。汤姆·墨菲

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客《做数学》中。