Как изменить климат сахары

Ветро- и солнечные энергостанции в Сахаре помогут улучшить климатические условия пустыни

Источник: Image: Jgremillot

Пустыня Сахара — одно из наиболее неблагоприятных для проживания мест на Земле. Суровые условия могут выдержать лишь немногочисленные живые существа, включая и человека. Но о процветании здесь не идет и речи, скорее мы говорим о выживании. Тем не менее, ветры в Сахаре достаточно сильные, не говоря уже об уровне инсоляции. По мнению некоторых ученых, особенности климата региона позволяют развернуть в пустыне большое количество электростанций, основа которых — ветер и солнце.

И чем больше их будет, тем более благоприятными могут стать климатические условия (конечно, в первую очередь, для человека). Речь идет об увеличении количества осадков и снижении температурных экстремумов региона. Если начать осваивать Сахару с точки зрения энергетики, то уже с 2050 года она даст примерно 50% энергии, которая потребуется населению Земли в это время.

О том, что Сахара может стать «энергетической сокровищницей» для человечества, говорят не первый год. Но, как оказалось, добыча энергии будет сопровождаться и другими благами, включая смягчение климата. Ученые университета Иллинойса, США, создали модель освоения Сахары, которая позволяет говорить о достаточно обширных возможностях пустыни. Результаты работы специалистов были опубликованы в последнем выпуске Science.

Команда университета разработала климатическую модель с учетом температуры, осадков и производства биомассы. Модель охватывает регион площадью в 9 млн квадратных километров. Это всего 0,1% общей площади пустыни. Основная роль в этой модели отводится солнечным и ветроэлектростанциям.

По мнению ученых, если на этой площади разместить энергостанции, то они будут производить электричества примерно в четыре раза больше, чем требовалось человечеству в 2017 году. Как уже говорилось выше, специалисты университета считают, что регион станет более благоприятным для проживания — температурные колебания нивелируются, осадков будет выпадать больше, что позволит увеличить объемы производства биомассы фермерами.

«Результаты наших экспериментов подтверждают предположение о том, что с увеличением ветро- и солнечных энергостанций в Сахаре улучшатся климатические условия региона. Кроме производства энергии, пустыня сможет давать и сельскохозяйственную продукцию, правда, в том случае, если установить оборудование на достаточно обширной площади. Таким образом, альтернативная энергетика может давать неожиданный благоприятный эффект», — комментируют свою модель разработчики проекта.

Ветроэнергостанции при условии достаточно большого их количества смогут изменить обычные пути атмосферных масс. Солнечные фермы, в то же время, сделают регион более влажным благодаря снижению альбедо поверхности. В итоге объем осадков в Сахаре может быть удвоен, что будет способствовать улучшению роста растений и общему увеличению биомассы.

К сожалению, модель ученых не предусматривала «проверку на практичность», а является лишь идеальной ситуацией. Сколько будет стоить производство и размещение оборудования на 0,1% площади Сахары и какой экономический эффект это может дать — пока неизвестно. Тем не менее, просчитать все это можно, и тогда будет ясно, реальна ли модель или это чистой воды фантастика.

Как бы там ни было, но вернуть Сахару в прошлое, образно говоря, когда она была зеленой и имела большое количество источников воды, хотели бы многие.

Сахара может превратиться в гигантскую батарейку

Ученые нашли способ, который позволит полностью изменить засушливый климат самой большой пустыни Земли, а также превратит ее в крупнейшую электростанцию мира.

Источник:

Пустыня ассоциируется со смертью: она воплощает в себе человеческие страхи о глобальном потеплении. Безжизненная, будто бесконечная, выжженная. Ученые из США и Великобритании доказали, что из пустынных территорий можно сделать оазисы. Построив в Сахаре целый комплекс зеленых электростанций, можно не только получить достаточно электричества для снабжения всего мира, но и изменить климат в африканской пустыне — остановить дезертификацию и начать ее озеленение. «Хайтек» рассказывает, как может выглядеть солнечная ферма на территории Сахары и сколько электроэнергии она даст Земле.

Дезертификацию и деградацию земель называют «самой значительной проблемой природы нашего времени». Сейчас слово «пустыня» вызывает ассоциации в виде песчаных дюн Сахары или соляных промыслов Калахари. Тем не менее, изменение климата может привести к опустыниванию территорий по всей планете, от состояния которых зависят жизни 2 млрд людей из регионов, оказавшихся под угрозой.

Воздействие климата, неэффективное управление земельными ресурсами и нерациональное расходование пресной воды привели к деградации регионов, которые испытывают дефицит воды. В итоге на землях не растут зерновые, гибнут скот и дикая природа.

Пустыня Сахара огромна: если бы она была страной, то потеснила бы Бразилию с пятого места в рейтинге по размеру. Сила солнца, которое светит над этими территориями, также выше, чем где бы то ни было. По оценкам NASA, на каждый квадратный метр поступает в среднем от 2 000 до 3 000 кВт⋅ч солнечной энергии в год.

Профессор Университета Ноттингем Трент, Амина Аль-Хабайбе, считает, что сахарской энергии хватило бы для обеспечения электричеством всей Земли. Звучит утопично, но статья, опубликованная в журнале The Conversation, показывает способы реализации этой идеи.

Площадь Сахары составляет примерно 9 млн кв. км, а значит, сумма энергии всех солнечных лучей над пустыней –– более 22 млрд ГВт⋅ч в год. Много ли это? Гипотетическая солнечная ферма, которая покрыла бы всю пустыню, могла производить в 2 тыс. раз больше энергии, чем самые крупные электростанции мира. Суммарные объемы их производительности едва ли достигают 100 тыс. ГВт⋅ч в год.

Проложить огромный кабель из Сахары в Европу у человечества получится. Северная Африка находится очень близко к Европе. Кратчайшее расстояние между континентами –– всего 15 км, Гибралтарский пролив. Тем не менее, даже маршруты по Средиземному морю будут вполне практичным вариантом. В конце концов, самый длинный подводный силовой кабель растянулся на 600 км между Норвегией и Нидерландами.

Ветровые турбины или солнечные батареи

Сегодня существуют две практических технологии для производства электроэнергии в пустыни: концентрированная солнечная энергия (от англ. CSP, Concentrated solar power — «Хайтек») и привычные фотоэлектрические солнечные батареи. У каждого метода есть свои плюсы и минусы.

CSP использует линзы или зеркала, которые фокусируют солнечную энергию и нагреваются до огромных температур. Тепло генерирует электричество с помощью обычных паровых турбин. Эта технология напоминает работу атомного реактора, также разгоняющего паровую турбину с помощью огромных температур. Вращение турбины создает электричество. В некоторых системах для накопления энергии используют расплавленную соль для хранения солнечной энергии, что позволяет вращать турбину и ночью.

Технология концентрирования солнечной энергии кажется идеальным вариантом для Сахары. Прямые солнечные лучи, отсутствие облаков и высоких температур –– полный набор необходимого для максимальной продуктивности CSP.

Недостатком этого метода становится уязвимость линз и зеркал. Их легко загрязняют песчаные бури, поэтому устанавливая такие инструменты, нужно продумать и то, как часто их будут очищать. Кроме того, системы турбин и парового отопления –– механизмы, для которых требуется вода. В пустыне ее куда меньше, чем необходимо для незатратного функционирования системы.

Аль-Хабайбе предполагает, что в крупном проекте солнечную энергию можно сконцентрировать с помощью тысяч отражающих панелей. Похожий проект появился в ОАЭ: с его помощью энергетики хотят избежать проблем с фотоэлектрическими панелями, которые нельзя размещать на сильной жаре.

Добыча огромных объемов солнечной энергии с небольших территорий –– не новая идея. В 2017 году в прессе появлялись громкие сообщения о том, что США сможет полностью обеспечивать себя энергией благодаря установкам площадью 256 кв. км. Предполагаемая установка должна была состоять из системы аккумуляторов, которые обеспечивали бы круглосуточную подачу энергии.

Самой успешной попыткой стал Desertec, проект 2009 года. Он быстро привлек финансирование, но закрылся спустя несколько лет из-за недостатка денег. Прежде чем начать окупаться, пустынные электрические «шахты» поглощают миллиарды. Но пустынная электроустановка поменяет не только рыночную ситуацию.

Дожди над Сахарой

Солнечные и ветряные фермы могут изменить климатические условия в пустыне Сахара. Образование облаков над пустыней станет результатом работы установок, которые вырабатывают электричество. Над Африкой буквально начнутся дожди. Солнечные панели и ветряные турбины затемняют поверхность пустыни.

Ученые уже знали о локальном воздействии подобных систем на температуру и уровень влажности в регионах, в которых они устанавливаются. Тем не менее, масштаб установок, которые, возможно, установят в пустыне Сахара, делает последствия заметными.

Автор исследования, посвященного терраформированию Сахары, доктор Ян Ли, говорит: «Результаты нашей модели показывают, что крупномасштабные ветряные фермы в Сахаре удвоят количество осадков не только в самой пустыне, но и в Сахеле, где уровень повысится с 200 до 500 мм в год». В результате дождей растительный покров пустыни тоже вырастет на 20%.

Причин для таких изменений несколько. Во-первых, ветряные турбины улучшают смешивание воздуха из-за вращения лопастей. Ветряные электростанции увеличивают шероховатость поверхности и усиливают схождение ветра в области с низким давлением. В результате создается петля обратной зависимости: чем больше дождя попадает на землю, тем больше осадков с нее испаряется.

В то же время солнечные панели, которые поглощают лучи, уменьшают поверхностное альбедо –– степень отражения света от поверхности, что тоже приводит к увеличению количества осадков. Исследователи предполагают, что уменьшение отражения солнечного света вызовет 50-процентное увеличение осадков.

«Панели уменьшают поверхностное альбедо: земля поглощает больше солнечной энергии и постепенно теплеет. Это усиливает низкую температуру собственного тепла Сахары, что приводит к увеличению количества воздухов и осадков», –– объясняет доктор Ли.

Евгения Калнай, эксперт по погоде и климату в Университете Мэриленда, предложила использовать компьютерные модели для проверки изменения погоды и климата после гипотетической установки систем. Такие программы помогают ученым выяснить, как погода будет меняться со временем.

Калнай выяснила, что обе технологии смогут изменить температуру региона. Солнечные панели могут поднять температуру на 3-4 °C, а ветровые турбины повысили бы ночную температуру. Теплый воздух, который они разгоняют, поднимался бы вверх. Поскольку он содержит водяной пар, то в конечном счете мог бы конденсироваться в дождевые облака.

Более продвинутая модель предполагала три сценария: только солнечные панели, ветряные электростанции или обе технологии. Ветровые электростанции поднимали ночную температуру на 2,16 °C, при этом увеличив количество осадков в Сахаре примерно вдвое — на 0,25 мм в сутки. Солнечные фермы повысят температуру на 1,12 °C в течение солнечного дня. Суммарное воздействие ветровых турбин и солнечных ферм изменит уровень осадков на 215,4 мм в год в Сахаре и на 500 мм в Сахеле. Среднее количество осадков будет увеличиваться по мере роста растений. Зеленые насаждения перемещают воду с земли в воздух. Этот процесс называется эвапотранспирацией.

Гипотетическую структуру, которая может вызывать такие изменения, сложно построить. Представьте себе, что территория размером с США или Китай, то есть 9 млн кв. км, будет покрыта электроэнергетическими установками. Это Сахара будущего, в которой будет царить иной, менее засушливый климат.

Если бы человечество смогло осуществить такой эпический план, то получило бы не просто зеленую Сахару. Люди избавились бы от необходимости в ископаемом топливе: пустынная установка вырабатывала бы 82 тераватта электроэнергии в год. Сегодняшнее потребление всей планеты –– порядка 18 тераватт.

Добыча ископаемого топлива убивает планету, и это не метафора. Парниковый газ, поступающий в атмосферу, вырабатывается из-за добычи и использования угля и нефти. Уровень углекислого газа над поверхностью Земли постоянно бьет собственные рекорды. Солнце и ветер дают человечеству альтернативу.

«Кроме предотвращения антропогенных выбросов парниковых газов от ископаемого топлива, энергия ветра и солнца может дать другие неожиданные полезные климатические перемены», –– пишут исследователи.

Еще одни плюсом озеленения пустыни станет уменьшение темпов дезертификации. Сахара расширяется: за последние 100 лет она выросла на 700 тыс. кв. км. Это 10% от предыдущей площади пустыни. Аэролог Расс Дикерсон из Университета Мэриленда считает, что ветровые станции смогут приостановить процесс расширения засушливого региона.

Последнее преимущество «зеленой электрической пустыни» –– перепроизводство. Возможный избыток электроэнергии, которая будет вырабатываться на установке, позволит справиться и с другими ресурсными проблемами. Так, энергию можно было бы перенаправить на опреснение и транспортировку морской воды для тех регионов, которым не хватает пресной воды.

Конечно, на данный момент подобные идеи о превращении Сахары в оазис для всего человечества –– не более, чем гипотетические предположения, которые трудно реализовать.

Крупные солнечные и ветровые электростанции влияют на местный климат: оба вида ВИЭ при достаточных масштабах увеличивают количество осадков и густоту растительного покрова и потенциально могут изменить облик Сахары, где теоретически можно построить такие большие станции. Исследование об этом опубликовано в журнале Science.

Янь Ли (Yan Li) из университета штата Иллинойс и его коллеги смоделировали гипотетическое строительство в Сахаре огромных ветровых и солнечных энергетических комплексов на общей площади в 9 миллионов квадратных километров — площадь Сахары при этом оценивается в 9,2 миллиона квадратных километров, еще 3 миллиона квадратных километров приходится на Сахель, саванну к югу от пустыни. Мощность гипотетических электростанций в их модели составит 3 и 79 тераватт соответственно (при совокупном мировом потреблении энергии в 18 тераватт, по данным на 2017 год).

Авторы отмечают, что обычно при моделировании влияния таких установок на климат не оцениваются положительные обратные связи, усиливающие исходный эффект, прежде всего через растительный покров. Их климатическая модель, в свою очередь, показала, что строительство таких электростанций существенно увеличит местную температуру, количество осадков и густоту растительного покрова. Ветровые электростанции доставляют более теплый воздух вниз, перемешивая его, замедляют скорость ветра и увеличивают приземную температуру примерно на два градуса Кельвина; это усиливает испарение с поверхности, увеличивает количество осадков примерно вдвое, на 0,25 миллиметра в день, и стимулирует рост растений. 

Солнечные панели уменьшают альбедо, или отражающую способность поверхности, на которой они установлены, и тоже увеличивают температуру (на 1-1,2 градуса) и количество осадков (в полтора раза, или на 0,13 миллиметра в день). Растительность в обоих случаях создает положительную обратную связь, также уменьшая альбедо — листья темнее песка — и еще больше увеличивая количество осадков. Вместе солнечные и ветровые электростанции дадут средний прирост количества осадков на 150 процентов до 0,59 миллиметра в день, причем особенно выраженным — до 500 миллиметров в год — он будет в Сахеле.

«Мы обнаружили, что масштабные солнечные и ветровые электростанции могут увеличить количество осадков и стимулировать рост растительности в этих регионах. Увеличение количества осадков — следствие сложного взаимодействия земли и атмосферы в присутствии ветрогенераторов и солнечных панелей, которые создают более неровные и темные поверхности», — сказала соавтор исследования Юджиния Калнэй (Eugenia Kalnay), которую цитирует пресс-служба университета. 

Авторы заключают, что воздействие на климат для объектов ВИЭ такого масштаба будет иметь скорее положительные последствия для климата планеты в целом, а в Сахаре и Сахеле их строительство может благоприятно сказаться и на локальном климате. Пространственное разрешение их модели невелико и позволяет моделировать только очень крупные объекты: для уточнения влияния более мелких станций на местный климат нужны эксперименты с моделями с большим разрешением. 

В приложении к работе авторы не дают оценок реалистичности строительства станций такого размера в Сахаре и их возможной стоимости, однако отмечают, что проекты, аналогичные инфраструктуре, необходимой для транспортировки электроэнергии потребителям в Европу и на север Африки, существуют уже сегодня, а выгоды от строительства такого источника дешевой электроэнергии, прежде всего для Сахеля, будут не только экономическими — например, это поможет удешевить опреснение и улучшит доступ к питьевой воде для жителей региона.

Массовый ввод мощностей возобновляемой энергетики — правда, не в таких масштабах — нужен человечеству, чтобы снизить выбросы парниковых газов и обезопасить себя от наиболее опасных последствий глобального изменения климата. Группа европейских ученых ранее показала, что если человечество будет наращивать долю возобновляемых источников энергии в энергобалансе на два процента в год, начинать делать это нужно до 2035 года — тогда с вероятностью 67 процентов потепление к концу нынешнего века удастся остановить на двух градусах. Если действовать решительнее и добавлять по пять процентов ВИЭ в год, дедлайн можно отложить на 10 лет. Сейчас доля возобновляемых источников энергии в мире составляет лишь 3,6 процента.

Ольга Добровидова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.