Новая технология для полностью экологичного получения электричества

Все мы много раз задумывались над тем, откуда берётся то самое электричество, благодаря которому возможна работа твоего компьютера, Интернета, огромного количества всевозможного оборудования, и, конечно, Хабрахабра.

Сейчас у нас есть ТЭЦ, АЭС, ГЭС и довольно большое количество других технологий получения энергии. У большей части из этих технологий есть очень существенные недостатки — это либо значительный вред окружающей среде, либо расход медленно возобновляемых природных ресурсов, либо низкая эффективность. Некоторые технологии кажутся почти идеальными, но только до того момента, пока не знаешь их стоимость.

Но что, если бы у нас появилась возможность найти такой способ получения энергии, который не имел бы всех этих недостатков? И что, если бы также давал дополнительные преимущества, такие как, например, чистая питьевая вода? И если бы он стоил около ста долларов (около трёх тысяч рублей) на человека и всё необходимое оборудование при этом имело бы очень длительный срок эксплуатации (то есть заплатив единожды $100 можно было бы много лет не задумываться о счетах за электричество и воду), а установить такой комплекс можно было бы в любом месте на Земле?

У нас есть этот способ. И мы скоро будем готовы к производству. Поэтому, если вам интересно, читайте дальше.

(Девочка на картинке неодобрительно смотрит на тех, кто не хочет ничего слышать.)

Постановка задачи

Итак, у нашей страны есть огромный, немыслимых масштабов недостаток. Она прочно подсажена на наркотическую нефтегазовую иглу, и это губит её, и губит её народ. Пока весь мир зависим от нефти, и цены на нее только постоянно растут, нет никаких реальных перспектив оторвать эту пиявку увещеваниями и мирными протестами немногочисленной совестливой интеллигенции. Это пора прекращать — что мы и хотим сделать. Обрушить цены на энергоносители, т.е. избавить человечество от углеводородной энергетической зависимости.

Сущность решения

Известно, что солнечная энергия, доходящая до нашей планеты, примерно в 20000 раз превосходит потребности человечества (см. Энергетика. Проблемы и перспективы. — М.А.Стырикович, Э.Э.Шпильрайн, М: Энергия, 1981, с. 38). Из неё примерно четверть уходит на испарение воды и фактически постоянно более-менее равномерно аккумулируется в атмосфере над любой точкой мира. 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 когда решение уже было придумано, то при поиске похожих идей в Интернете по ключевым словам было неожиданно обнаружено, что ещё в 1919 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 всё было готово ещё 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 так далее… 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). Там переохлаждённая атмосферная влага начинает активно конденсироваться 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 её 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 счёт подачи электрического поля (например, имеются эксперименты по использованию для этого коронного разряда), а также при необходимости уменьшить обледенение за счёт 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.

Как это работает

С точки зрения генерации электроэнергии всё 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 объёмах 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, работающих с такими перепадами. При этом используют очень простые ковшовые турбины, изобретённые ещё в 1889 г. американским инженером Алланом Пелтоном.

Принципиальным отличием Аэро ГЭС является конденсация влаги из воздуха, что на первый взгляд кажется забавным и практически неосуществимым курьёзом. 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 ещё в 1987 г. и прекрасно описана со всеми техническими характеристиками.

Что это даёт

• практически вечную и ничем не ограниченную дармовую электроэнергию и чистую воду для питья и орошения, причём 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 (в том числе и 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) путём 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 расчёты

Работоспособная установка может быть даже портативной. Например, турист или дачник может соорудить это просто в виде параплана или воздушного змея, причём в промозглом Питере, откуда мы родом, это начнёт давать воду уже с высоты полкилометра. :)

На самом деле, есть сайты и расчётные 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 расчёта 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 посёлка 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 подъёма).

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 $10 (по $2/кг) — гелий бы стоил около $5000.
Шланг нужен внутренним диаметром всего 3 мм, скорость воды в нём 200 м/с (примерно то же самое, что и на вышеупомянутой швейцарской ГЭС), вес всей воды в шланге 10—20 кг (в зависимости от геометрии).
Общий вес воды в шланге, на сетях и в верхнем резервуаре — пусть 100—200 кг
Простейшая ковшовая турбина + генератор на 20 кВт + нейлоновые тросы и прочее — пусть ещё $3000

Итого даже при такой предельно малой мощности имеем:
Общая цена ~ $10000 (по $100 с каждого жителя посёлка), вес 200—300 кг при грузоподъёмности аэростата до 500 кг. Удельная капиталоёмкость $500/кВт. Издержки близки к нулю.

Для сравнения:

• самые дешёвые 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 капиталоёмкости до $200—300/кВт.

Итого

Аэро ГЭС может решить все энергетические проблемы человечества и заодно решить огромные социальные пробемы. 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 — пожалуйста, пришлите мне сообщение. :)

Да, у нас скоро будет сайт по адресу airhes.com. Там пока что только небольшой текст, но скоро там будет статья на английском, переключение языков, различная информация и так далее. Поэтому, если интересно — то следите за событиями, скоро будет интересно. :)

Автор: MaGIc2laNTern