Гидроэлектростанция в облаках

Резервы земной энергетики

Проблема получения энергии становится в настоящее время одной из основных проблем, стоящих перед человечеством. Она усугубляется тем, что традиционные способы получения энергии, основанные на сжигании ископаемого топлива, приводят к загрязнению окружающей среды. А «чистые» источники энергии пока дают только малую часть энергии, потребной человечеству. Между тем именно запасы возобновляемой энергии несравнимо больше, чем все запасы традиционного топлива. На следующем рисунке дана схематическая картина того, каковы сравнительные запасы различных источников энергии на Земле.

Сравнение запасов традиционной и возобновляемой энергетики

Особенно следует подчеркнуть, что для традиционных источников указаны их общие запасы (в тераватт-годах), которые рано или поздно будут исчерпаны, в то время как для возобновляемых источников приведен их годовой потенциал (в тераваттах). Но этот потенциал еще нужно научиться использовать. Ученые и инженеры создали фотоэлектрические преобразователи, термогенерирующие установки, ветровые турбины и другие устройства для получения энергии. Исследователи изобретают все новые способы получения энергии и усовершенствуют ранее разработанные. Сегодня мы расскажем об одной из таких разработок.

Использовать круговорот воды в природе

Основным источником возобновляемой энергии в настоящее время являются гидроэлектростанции. Фактически гидроэлектростанции работают только потому, что в существует такое явление как круговорот воды в природе.

Все ГЭС работают за счет того, что выпавшая в виде осадков вода стекает в моря и океаны, и на этом ее пути люди научились отбирать у воды часть накопленной ею энергии. Но это только самая мизерная часть той энергии, которую сопровождает круговорот воды. Ведь круговорот воды — самый мощный процесс в Природе – это около четверти всей солнечной энергии или почти половина энергии, достигающей поверхности Земли.

На земле каждый год выпадает в среднем около 1 м осадков, это соответствует огромной мощности ~ 800 ТВт, что:

• более чем в 60 раз превосходит все текущие энергетические нужды человечества;
• более чем в 400 раз превосходит мощность всех электростанций.

Почему же обычные ГЭС дают так мало энергии?! Потому что, во-первых, все осадки теряют основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на сопротивление воздуха и удар об землю (потери по вертикали), во-вторых, большинство осадков выпадают в океан или на равнину, так что их использование становится невозможным или экономически не выгодным (потери по горизонтали).

Поэтому сток всех рек в 11 раз меньше, чем все осадки, а мощность всех рек в 200 раз меньше мощности облаков.

Российский ученый А.Н.Казанцев предложил способ (патент RU 2500854), позволяющий получить энергию, запасенную в атмосферной влаге. Для этого нужно собирать воду там, где она реально конденсируется, т.е. прямо в облаках. Принципиальная схема АэроГЭС представлена на  следующем рисунке.

1. сток, 2. верхний резервуар, 3. водовод, 4. турбогенератор, 5. сетки, тканевые или пленочные поверхности (сборщики облаков), 6. аэростат, 7. тросы

Дирижабль 6 поднимает поверхности 5 (из сетки, ткани или пленки) 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.

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 есть облака
• 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), затенения в жарких странах и многое другое…

Технико-экономические расчеты

Оценка максимальной производительности: В грозовой туче 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.

Таким образом, если провести экономическую аппроксимацию по экстенсивному фактору (т.е. в расчете на 1 м² активной поверхности — $ 0.5 для двойного слоя полипропиленовой сетки), то для больших Аэро ГЭС можно ожидать в соответствии с законом «квадрат – куб» следующие предельные величины для удельных капиталовложений:

• для пессимистической оценки (по средним данным пассивных систем сбора тумана) ~ 2 Вт/м² -> ~ 250 $/кВт
• для оптимистической оценки (по максимальным данным активных систем сбора тумана) ~ 50 Вт/м² -> ~ 10 $/кВт
• для сверх оптимистической оценки (по физическому расчету для экваториальной зоны) ~ 500 Вт/м² -> ~ 1 $/кВт

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

Ограничения, проблемы, риски, задачи

Физические — замерзание воды. Это ограничивает круглогодичное использование в северных странах.

Эксплуатационные — неравномерность облаков. Возможные решения:

• аккумулирование воды на верхнем бьефе (в 2-3 раза выгодней использования традиционных химических аккумуляторов).
• предполагаемый альтернативный механизм индуцированной конденсации на сетке (подобно осаждению росы)
• аккумулирование водорода (в балонетных аэростатах, в 600 раз эффективнее гидроаккумулирования)
• восстановления алюминия для транспортных топливных элементов

Инженерные — получение энергии с высоты 2-5 км. Возможные решения:

• стандартный напорный шланг-водовод (Kevlar, Dyneema) или вертикальная труба
• безнапорный гравитационный шланг-водовод (канальный водопад)
• канатная дорога (обратный водоподъемник).

Отсутствие опыта — требуются дальнейшие исследования и оптимизация для разных типов установок.

Аэро ГЭС может решить экологические и энергетические проблемы человечества. Примерный рынок: 1000 млрд. $. Если кто-то хочет начать производство, осчастливить человечество и заодно стать самым богатым человеком на Земле — обращайтесь… :))) Разработчики как раз собирают средства на дальнейшие исследования методом краудфандинга.

Подробнее об этом изобретении вы можете прочитать на сайте http://airhes.com/. Описание на русском языке — здесь.