Мир без нефти - Аэро ГЭС

Первоисточник

Сущность решения
Известно, что солнечная энергия, доходящая до нашей планеты, примерно в 10000 раз превосходит потребности человечества . Из нее примерно четверть уходит на испарение воды и фактически постоянно более-менее равномерно аккумулируется в атмосфере над любой точкой мира. Так как в год выпадает примерно 1 м осадков в среднем с высоты 5 км, то это дает потенциальную мощность порядка 810 TВт, что более чем в 60 раз превосходит все текущие потребности человечества (13 TВт). Стандартная гидроэнергетика принципиально способна использовать только малую часть этой энергии, так как все осадки теряют основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на преодоление сопротивления воздуха и удар об землю. Для того, чтобы использовать эту потенциальную энергию более рачительно, надо собирать воду на той высоте, где она конденсируется, и срабатывать в ГЭС весь перепад высот. Именно это и составляет сущность данного решения.

Интересно, что уже придумав это решение, я стал искать в интернете по ключевым словам подобные идеи и неожиданно обнаружил, что еще в 1915 году в одной из статей гениальный Никола Тесла практически был в полушаге до реализации этой идеи, правильно принципиально оценив необходимый ресурс, но так и не найдя схему для его реализации, для чего все было готово еще сто лет назад. Обидно. Если бы он тогда докрутил эту идею, то мы все жили бы совсем в другом мире -- чистом, экологичном, изобильном, без войн за нефть, без власти нефтебаронов и обслуживающих их подонков в погонах и без... увы, человечество потеряло сто лет!

---

Как реализовать решение - Аэро ГЭС
Схема одного из вариантов решения показана на рисунке.
Аэро ГЭС содержит нижний бьеф 1, верхний бьеф 2, водовод 3, турбогенератор 4, сетчатые, тканные или пленочные поверхности 5, дирижабль 6 и крепежные тросы 7.

Дирижабль 6 поднимает поверхности 5 на высоту вблизи или выше точки росы для данных атмосферных условий (обычно это 2-3 км - линия конденсации или база облаков на аэрологической диаграмме). Там переохлажденная атмосферная влага начинает активно конденсироваться (или собираться из облаков) на поверхностях 5. Дренажная система на поверхностях 5 отводит эту воду в небольшой резервуар (верхний бьеф 2), откуда вода под напором всего перепада высот (2-3 км) поступает по напорному или безнапорному водоводу 3 в нижний бьеф 1 на земле, производя электроэнергию в турбогенераторе 4.

Всю установку можно легко смонтировать в любом удобном для потребителя электроэнергии и воды месте, просто подняв и переместив ее целиком с помощью того же дирижабля 6.

Если в данной точке дуют постоянные устойчивые ветры, или это портативная установка (например, для туристов или военных), то можно обойтись без дирижабля 6 и использовать поверхности 5 как параплан для самостоятельного удержания всей конструкции в воздухе (как это происходит при запуске воздушного змея).

Также поверхности 5 могут быть выполнены с полной или частичной металлизацией (например, вплетением металлических проводников). Это позволит увеличить прочность конструкции, снизить солнечный нагрев, усилить конденсацию водяного пара за счет подачи электрического поля (например, имеются эксперименты по использованию для этого коронного разряда), а также при необходимости уменьшить обледенение за счет подачи тока.

Вообще, обледенение может использоваться как стандартный режим, так как система обладает автоматической устойчивостью — при накоплении льда вся конструкция самостоятельно снизится в область более высоких температур атмосферы, а после таяния льда сама поднимется на необходимую высоту.

Помимо прямого аккумулирования энергии в виде запаса воды в верхнем бьефе (аналогично тому, как это выполняется на любых гидроаккумулирующих ЭС), АэроГЭС можно легко модифицировать для увеличения ее аккумулирующей способности примерно в 600 раз! Для этого достаточно кроме водовода спустить вниз и водородовод и использовать баллонетные аэростаты, которые при этом не только будут обеспечивать поддержание элементов АэроГЭС, но и хранить запас водорода в качестве энергоаккумулирующего агента. Легко показать, что 1 кг водорода (с удельной теплотой сгорания 120.9 МДж/кг) удерживает в верхнем бьефе примерно 10 кг воды с запасом гидроэнергии всего в 0.2 МДж. Таким образом на АэроГЭС в период перепроизводства энергии всегда можно путем закачки водорода (полученного внизу электролизом) и сбалансированного слива воды обеспечить необходимое количество воды в верхнем бьефе (для поддержания конструкции в равновесном состоянии и максимального снижения натяжения удерживающих тросов) и увеличенный в 600 раз запас энергии, который при необходимости в энергии всегда можно так же сбалансировано получить обратно в топливных элементах (из водорода) и турбогенераторе (из воды). Кстати, можно еще и подцепить на это транспортировку САМОГО водорода КАК ТОПЛИВА в этих дирижаблях, транспортировку грузов этими дирижаблями и т.п.

Как это работает
С точки зрения генерации электроэнергии все работает точно так же как и в обычной ГЭС, но у обычных ГЭС есть принципиальные общие недостатки: они требуют значительных капитальных затрат на сооружение плотины, занимают значительные территории под водохранилище, наносят ущерб экологии и обычно удалены от потребителя. Кроме того, всегда существует потенциальная опасность возможного разрушения плотины. В известной мере, все эти недостатки являются следствием сравнительно небольших перепадов высот при огромных объемах воды, характерных для большинства равнинных рек.

Тем не менее и перепады высот в 2 км, как в Аэро ГЭС, не являются экстраординарными. В мире есть несколько электростанций например, в Швейцарии), работающих с такими перепадами. При этом используют очень простые ковшовые турбины , изобретенные еще в 1889 г. американским инженером А.Пелтоном.

Принципиальным отличием Аэро ГЭС является конденсация влаги из воздуха, что на первый взгляд кажется забавным и практически неосуществимым курьезом. Тем не менее и тут нет ничего необычного. На свете существует несколько прекрасно работающих установок , называемых сборщиками тумана . Например, установка для сбора питьевой воды в Чили была испытана еще в 1987 г. и прекрасно описана со всеми техническими характеристиками .

Что это дает

• практически вечную и ничем не ограниченную дармовую электроэнергию и чистую воду для питья и орошения, причем в любой точке планеты, где это надо потребителю
• минимальный расход места на земле (как под ЭС, так и под ЛЭП), а также возможность использования любых поверхностей (включая огромные территории пустынь, морей, океанов и т.п.)
• модульность (можно собирать системы любой мощности из стандартных модулей, например, по 1 МВт)
• мобильность (для оперативного перебазирования при необходимости или даже для использования на транспорте, например, для снабжения электроэнергией и водой океанских судов)
• чистоту и экологичность из-за сравнительно небольших локальных гидропотоков по сравнению с обычными ГЭС и полным отсутствием тепловых, химических или ядерных выбросов в окружающую среду
• увеличение удельной мощности ГЭС (т.е. мощности на единицу расхода воды) путем использования максимально возможного перепада высот между верхним и нижним бьефом (от высоты конденсации атмосферной влаги до уровня земли)
• существенно более низкие капитальные затраты на единицу мощности и издержки по сравнению с любыми другими известными видами возобновляемой и невозобновляемой энергетики
• возможность дополнительного использования для сетевой связи, видеонаблюдения, высотной рекламы, грозозащиты, климатической защиты (например, против ураганов и торнадо в США по берегу Мексиканского залива), регулирования климата (например, отсечением дождей в Питере по дамбе при преобладающей юго-западной розе ветров), ПВО (например, для Израиля), затенения в жарких странах и многое другое...

Технико-экономические расчеты
Работоспособная установка может быть даже портативной. Например, турист или дачник может соорудить это просто в виде параплана или воздушного змея, причем в промозглом Питере это начнет давать воду уже с высоты полкилометра :)

На самом деле, есть сайты и расчетные модели, которые позволяют даже рассчитать высоту точки росы в любой реальный момент времени в любом месте планеты по аэрологическим диаграммам . Кроме того, есть и прекрасные теоретические модели , разрабатываемые в Гатчине нашими физиками В.Г.Горшковым и А.М.Макарьевой. Для расчета турбины можно использовать сайт М.Н.Розина.

По данным чилийской установки такие сетчатые поверхности давали от 3 до 13 литров с квадратного метра в сутки. Учитывая, что в Чили установки были полностью пассивными, а мы можем активно управлять Аэро ГЭС, меняя положение поверхностей 5 по высоте (для максимальной конденсации) и ориентации на ветер (для максимального потока атмосферной влаги), можно надеяться, что выход воды будет значительно увеличен. Но даже приняв его для простоты на том же уровне ~ 10 л/м2/сутки, мы получаем, что всего лишь кусок нейлоновой сетки 10 х 10 м (100 м2) полностью обеспечивает потребности одного человека в воде (~1000 л/сутки) и бытовой электроэнергии (~150-200 кВт-час/месяц).

Прикинем, например, технико-экономические данные небольшой Аэро ГЭС для поселка в 100 человек. Такая установка будет давать воды до 100 м3/сутки (1.16 л/с) и иметь мощность 20-50 кВт (в зависимости от высоты подъема).

Пусть минимум - высота 2000 м, 20 кВт -- 10000 м2 сети (100 х 100 м) Цена нейлоновых сетей от 0.5 $/м2, вес от 10 г/м2 -- 5000 $, 100 кг Аэростат 500 м3 (водород, примерно как в блокадном Ленинграде) поднимает 500 кг -- оболочка пусть 2000 $, водород всего 100$ (по 2 $/кг) -- гелий бы стоил около 5000 $.
Шланг нужен с внутренним диаметром сопла всего 3 мм, скорость воды в сопле 200 м/с (примерно то же самое, что и на вышеупомянутой швейцарской ГЭС), вес всей воды в шланге 50-100 кг (в зависимости от геометрии).
Общий вес воды в безнапорном шланге, на сетях и в верхнем резервуаре - пусть 100-200 кг
Простейшая ковшовая турбина + генератор на 20 кВт + нейлоновые тросы и прочее - пусть еще 3000 $

Итого даже при такой предельно малой мощности имеем:

• Общая цена ~ 10000 $ (по 100 $ с каждого жителя поселка).
• Вес 200-400 кг при грузоподъемности аэростата до 500 кг.
• Удельная капиталоемкость 500 $/кВт.
• Издержки близки к нулю.

Для сравнения

• самые дешевые в сегодняшней энергетике ТЭЦ с газовыми турбинами ~ 500-700 $/кВт при самых больших издержках ~ 5 центов за кВт-час,
• обычные ТЭЦ  ~ 1500 $/кВт при издержках ~ 2.5 цента за кВт-час,
• ГЭС ~ 1000-3000 $/кВт при издержках ~ 0.5 цента за кВт-час,
• АЭС ~ 5000 $/кВт при издержках ~ 2.5 цента за кВт-час,

Ясно, что при увеличении мощности, показатели должны только улучшаться. Для типичных мощностей в сотни и тысячи МВт, можно ожидать снижение удельной капиталоемкости до 200-300 $/кВт.

В данном примере оценка была проведена для минимальной производительности - пассивная система сбора тумана ~ 2 Вт/м2 для небольшой частной Aэро ГЭС. Теперь давайте посмотрим, что действительно дает природа, если мы хотим построить мощную станцию ​​на тропическом побережье - оценка максимальной производительности. В грозовой туче у нас до 5 г/м3 воды. Пусть это будет только 1 г/м3, на высоте 5 км, обычная скорость ветра здесь составляет 10 м/с, получаем 500 Вт/м2. Для сравнения, блок АЭС мощностью 500 МВт будет эквивалентен ~ 1 км2 сетки для Аэро ГЭС. Не так много, учитывая, что блок АЭС находится на земле и занимает примерно такую же территорию (не считая еще ~100 км2 санитарной зоны вокруг АЭС). И эта земля потеряна навсегда. А нам нужно только место для турбины, остальная часть находится на высоте 5 км и может быть демонтирована в любой момент.

 

Итого
Аэро ГЭС может решить экологические и энергетические проблемы человечества. Примерный рынок: как минимум 7 млрд. людей на планете по 100 $ = 700 млрд. $. Если кто-то хочет начать производство, осчастливить человечество и заодно стать самым богатым человеком на Земле -- обращайтесь... :)))

(Заявка на Патент RU 2012115407 от 17.04.12, Международная заявка PCT/RU2013/000070 ).