水力发电在多大程度上是可再生的?

Question

一种更为广泛的“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大坝和潮汐发电站。

显然，所有的水力发电站都从水中移走了一些动能，通常是通过要求水来驱动涡轮机。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，我们不需要担心耗尽我们的水体的动能。

有人可能会说，从如此规模的海洋中去除动能显然是不可能的，但在我看来，这是一个愚蠢的假设稀释的假设，这显然是错误的。两百年前，人们认为海洋是如此之大，人类永远不可能对海洋造成环境影响。今天，我们站在这里，海洋酸化、变暖和过度捕捞成为主要的环境问题。

同样的问题和论点可以在风能上重复。

我们是否确切知道能量转移到地球水(和风)系统的模式和速率是什么?

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，请不要把重点放在对当地生态系统的破坏、土地损失、噪音污染等众所周知的影响上。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，比如海洋和气流。

下面的问题离题了，但这是一个很好的后续:能源是如何被引入我们的海洋和气流系统的?例如，我认为月球的推拉作用是导致海洋潮汐运动的原因。太阳有什么影响?整个能量传递系统有多快?

评论:我强烈支持使用风能和水力发电，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结束，即我们在广泛热情地采用这些能源之后很久才意识到对这些能源的依赖及其对环境的恶性副作用。

Answer 1

海浪发电、水力发电(包括河流流动和蓄能)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它。全球潮汐发电还没有达到千兆瓦的规模，所以目前还很小。

风来自太阳以不同的速度加热地球的不同部分，这是由于日照角度、不同的云层覆盖、不同的表面反射率和不同的表面材料的比热。温差产生了气流。

波浪来自于风，所以它们是太阳能的一种间接形式。

阳光照射在水面上加速蒸发，将水蒸气提升到云中，给了它们巨大的引力势。然后雨水落下来，有时落在高地上，雨水可以从那里聚集到蓄水池中用于发电，或者流入河流，然后用于河流水力发电。

功率有多大?来自太阳的日照，在地球大气层的外边界，强度是每平方米约1400瓦．地球的反照率大约是30%，也就是说，平均约有400瓦被反射回太空，平均照射到地球的辐射约为每平方米1000瓦。想象一下从太阳上看到的地球表面:无论地球在自己的轴轨道上，在太阳周围，太阳看到的是一个与地球直径相同的圆盘，因此暴露在太阳下的表面积只是$\ π $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美元乘以6,300,000^2乘以π大约是125美元乘以10^{15}\rm \ W美元

目前人类消耗的非食物能量大约是17 TW，即$17 \乘以10^{12}\rm \ W$，大约比日照小4个数量级。

有一个有趣的公开学术讨论(参见“建模方法的抨击”部分关于我们能从风中提取多少能量:一些模型说，它只相当于我们目前使用的所有能量的几倍;也有人说，这是又一个数量级。不管怎样，它都比我们需要的多，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。

学术界也在公开讨论去除太瓦风能对区域气候的影响。然而，区域气候已经是长期气候预测中比较不确定的部分之一;再加上在哪里提取能源，以及提取的具体影响是什么，这些都是高度不确定的，我们最终得到的是大量的猜测和很少的可用信息。这并不是阻止人们尝试模拟它，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改变地球总热量预算的任何重大变化，因为几乎所有来自太阳的1000美元都已经以低品位的热量告终。如果将其用于发电，那么这些电就会被利用，几乎所有的电都将以低品位的热量结束。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(2tw是可再生能源)．但这只是日照量的0.01%。