水力发电在多大程度上是真正可再生的?

Question

一种更广泛的“可再生”发电方式是利用水力发电，即利用落水或流水的运动。一些最常见的实现是河流水坝和潮汐发电站。

显然，所有的水力发电站都从水中去除一些动能，通常需要转动涡轮机。我好奇的是，这种能量的去除是否真的是可持续的，也就是说，能量是否以这样的速度被引入到这些水体中，以至于我们不需要担心耗尽我们水体的动能。

有些人可能会说，从海洋中如此大规模地去除动能显然是不可能的，但我觉得这是一个愚蠢的假设，鉴于稀释的假设，这显然是错误的。两百年前，人们认为海洋是如此之大，以至于人类永远不会对其造成环境影响。今天，我们站在这里，海洋酸化、变暖和过度捕捞是主要的环境问题。

同样的问题和论点也可以在风能上重复出现。

我们是否知道地球上的水(风)系统中能量转移的模式和速率究竟是什么?

从我们的水体中大规模去除动能对环境的潜在影响是什么?

(注:在这些环境影响中，请不要关注众所周知的影响，如对当地生态系统的破坏、土地的丧失、噪音污染等。我主要感兴趣的是这种发电方式如何影响我们的能量储存和循环的自然系统，比如洋流和风。)

下面的问题与主题无关，但这是一个很好的后续问题:能量是如何引入我们的海洋和洋流系统的?例如，我假设月球的推挽作用是海洋潮汐运动的原因。太阳有什么影响?整个系统的能量传递有多快?

评论:我强烈支持使用风能和水电作为能源，而不是进一步使用化石燃料。然而，我仍然认为对假定的可再生能源的实际可再生性进行研究是很重要的，因为我们不想以另一种化石燃料类型的情况而结束，在这种情况下，我们意识到对这些能源的依赖以及它们对环境的恶性副作用。

Answer 1

海浪发电、水力发电(包括河流发电和蓄能发电)和风力发电都是太阳能的间接形式。潮汐产生的电是不同的，我们可以在另一个问题中处理这个问题。全球潮汐发电还没有达到千兆瓦的规模，所以现在还很小。

由于日照角度、不同的云层覆盖、不同的表面反射率和不同的表面材料比热，太阳以不同的速率加热地球的不同部分产生了风。温差产生了气流。

波浪来自风，所以它们是太阳能的双重间接形式。

阳光照射在水面上加速蒸发，将水蒸气提升到云中，使其具有很大的引力势。然后雨水落下来，有时落在高地上，从那里雨水可以被收集到蓄水池中用来发电，或者流入河流，然后被用于河流的水力发电。

有多大的力量?太阳的日照，在地球大气层的外边界，强度为大约每平方米1400瓦。地球的反照率约为30%，即平均约有400瓦被反射回太空，平均每平方米照射到地球的辐射约为1000瓦。想象一下从太阳上看到的地球表面:无论地球在它自己的轨道上，在它自己的轴上，围绕着太阳，太阳看到的是一个圆盘，有地球的直径，所以暴露在太阳下的表面积只是$\pi$乘以地球半径的平方，大约是6300公里。

所以入射的太阳辐射是1000乘以6300,000 ^2乘以π大约125乘以10^{15}rm \ W$

目前人类消耗的非食物能量约为17 TW，即$17 \乘以10^{12}\rm \ W$，这比日晒大约小4个数量级。

有一场有趣的公开学术讨论(参见“建模方法概要”一节)关于我们可以从风能中提取多少能量:一些模型表明，这只是我们目前使用的所有能源的几倍;另一些人说，这是另一个数量级。不管怎样，这都远远超出了我们的需要，所以虽然这是一个有趣的建模讨论，但答案现在不会改变任何事情。

关于移除太瓦的风能对区域气候的影响，也有公开的学术讨论。然而，区域气候已经是长期气候预报中比较不确定的部分之一;再加上能源开采的高度不确定性，以及开采的具体影响是什么，我们最终得到了很多猜测和很少有用的信息。这并不妨碍人们尝试建立模型并报告他们的结果:但不确定性使结果相形见绌。

而且利用可再生能源也不会显著改变地球的总热量预算，因为几乎所有来自太阳的1000美元{W/m^2}美元最终都变成了低品位的热量。如果利用它来发电，那么这些电就会被使用，几乎所有的电最终都会变成低品位的热量。当我们接近100%可再生能源时，我们将不再向生物圈注入大约15太瓦的化石和核能能源(2万亿是可再生能源)。但这只是日照量的0.01%。