Технология АэроГЭС как вариант ВИЭ

Вчера в статье обсуждали вопрос по будущему ВИЭ. Спасибо всем участникам, кто конструктивно высказывался по теме, узнал для себя довольно много нового. В частности, я сильно недооценивал атомную энергетику в плане запасов топлива. Признаю, что у нее бОльшие перспективы и в этом направлении нужно копать.

В ходе обсуждения один пользователь поднял вопрос, что, дескать, не все возможные виды ВИЭ описаны в статье. В статье из известного лично мне я не описывал только дрова и био. Полез искать: неужели есть что-то еще, о чем я не знаю.

Оказывается - есть. Об этом направлении никто из комментаторов не указал, так что, думаю, что будет интересно узнать всем, кто интересуется альтернативной энергетикой. Это - АэроГЭС.

Материал об этой перспективной технологии опубликован вот здесь под интригующим названием "Термояд не нужен. И АЭС тоже. Будущее – АэроГЭС – реинкарнация гидроэнергетики".

Дальше привожу сам материал.

Облака над нашей головой – это второй после Солнца глобальный источник возобновляемой энергии и первый - пресной воды (в 11 раз больше всех рек). Каждое облако энергетически примерно равно блоку АЭС, только гораздо дешевле и чище!

Круговорот воды – самый мощный процесс в Природе. На него тратится почти четверть солнечной энергии, приходящей из космоса, или почти половина, достигающей поверхности Земли. Солнце испаряет воду. Водяной пар, будучи легче воздуха, создает конвективные потоки, которые поднимают его вверх на высоту нескольких километров, пока температура воздуха при адиабатическом подъеме не падает до точки росы. Дальше пар конденсируется в мелкие капли или льдинки и уже в виде облаков разносится ветром до выпадения в виде дождя или снега на расстояния порядка 1000 км. Известно, что в среднем за год на поверхность Земли выпадает примерно 1 метр осадков, что соответствует огромной мощности, которая примерно в 50 раз превосходит все энергетические потребности человечества и в 400 раз больше мощности всех электрических станций. Достаточно сказать, что всего лишь за один год эта энергия превышает все известные запасы нефти, газа и урана, вместе взятых, и примерно равна всем запасам угля на планете.  

Почему же тогда традиционные ГЭС дают так мало энергии?

Потому что почти вся эта огромная энергия в основном теряется как по вертикали, так и по горизонтали. Три четверти осадков просто падает в моря и океаны, теряя свой гидравлический потенциал впустую. Львиная доля осадков, падающих на сушу, падает на низменности и равнины и потом повторно испаряется, не попадая в реки. Но даже то, что достигает рек, озер и ледников, теряет основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на преодоление сопротивления воздуха и удар об землю. В конце концов оказывается, что сток всех рек примерно в 11 раз меньше, чем все выпадающие осадки, а мощность рек в 200 раз меньше мощности облаков. И поэтому в настоящее время ресурсы традиционной гидроэнергетики уже близки к исчерпанию, так как почти все реки, где было экономически выгодно построить ГЭС, уже перегорожены плотинами.

Как же избежать этих, казалось бы неизбежных, потерь гидроэнергии?

Да просто надо собирать воду там, где она реально конденсируется, то есть прямо в облаках, и использовать весь возможный гидравлический потенциал в любом месте планеты, создавая искусственные реки там, где нам удобно.

Для реализации этих идей и была предложена данная технология – АэроГЭС.  

Схема одного из вариантов решения показана на рисунке. АэроГЭС (как и традиционная ГЭС) содержит нижний бьеф 1, верхний бьеф 2, водовод (шланг) 3, гидрогенератор 4, а кроме того дополнительно водоприемные сетчатые или тканные поверхности 5, и опционально аэростат 6 и крепежные тросы 7.

Типичная схема аэростатной АэроГЭС для капельных облаков

Аэростат 6 поднимает водоприемные 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 продуваемые ветром водоприемные поверхности 5 чисто механически собирают микрокапли облака (используя естественную объемную конденсацию, которая уже произошла внутри облака – эффект сбора тумана), а кроме того переохлажденная атмосферная влага может активно конденсироваться на тех же поверхностях 5 даже при отсутствии облаков (используя поверхностную конденсацию – эффект выпадения росы). 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 гидрогенераторе 4 и доставляя пресную воду потребителям.

Обычно аэродинамические силы, создаваемые парусностью поверхностей 5, значительно превышают аэростатические силы, создаваемые аэростатом 6. Поэтому, если в данной точке дуют постоянные устойчивые ветры, или это портативная нестационарная установка (например, для МЧС), то можно обойтись без аэростата 6 и использовать поверхности 5 как кайт (параплан) для самостоятельного удержания всей конструкции в воздухе (как это происходит при запуске воздушного змея). По сути аэростат нужен только для подъема и удержания в воздухе всей конструкции в условиях безветрия, когда АэроГЭС и так не будет получать воду и энергию, а следовательно ее можно временно спускать на землю обычным парашютированием. Кроме того, аэростат можно временно для подъема и удержания заменить дронами или другими БПЛА системами.

Кайтовый вариант портативной АэроГЭС

С точки зрения генерации электроэнергии АэроГЭС работает точно так же как и обычная 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, так как географически привязаны к ландшафту. Кроме того, всегда существует потенциальная опасность разрушения плотины. В известной мере, все эти недостатки являются следствием сравнительно небольших перепадов высот при огромных объемах воды, характерных для большинства равнинных рек. АэроГЭС, напротив, не имеет этих ограничений, рисков и капитальных затрат (составляющих до 90% стоимости обычных ГЭС), так как использует сравнительно малые расходы воды при предельно высоких напорах. А главное, такая ГЭС вообще не привязана к рекам, так как облака более-менее равномерно покрывают 2/3 планеты.

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

Принципиальным отличием АэроГЭС является получение влаги как бы «из воздуха», что на первый взгляд кажется забавным и практически неосуществимым курьезом. Тем не менее и тут нет ничего необычного. Во многих странах существует сотни прекрасно работающих установок, называемых сборщиками тумана. Например, такая установка для сбора питьевой воды в Чили была испытана еще в 1987 году и прекрасно описана со всеми техническими характеристиками.

По сути, АэроГЭС – это сочетание трех хорошо известных и давно реализованных технологий, дающих вместе огромный синергетический эффект:

• обычная высоконапорная гидроэлектростанция
• аэростаты заграждения, известные со времен Первой мировой войны
• системы сбора высокогорного тумана, известные с 80-х годов прошлого века

Итак, технология АэроГЭС может дать практически ничем не ограниченную чистую и дешевую электроэнергию и пресную воду для питья и орошения в любой точке планеты, где есть капельные облака. Чистая пресная вода жизненно необходима примерно 1 миллиарду людей в странах третьего мира. Огромные безлюдные территории на континентах и тысячи необитаемых островов в океане не могут быть заселены только потому, что там нет пресной воды. А ведь ближайший «бездонный колодец» находится всего лишь в паре километров над головой! При этом технико-экономические расчеты АэроГЭС показывают, что такая идеальная холодная вода может стоить всего лишь 10-20 центов за кубометр, что в несколько раз ниже среднемировой цены водопроводной воды.

При этом АэроГЭС в отличие от других ВИЭ практически не занимает места на земле, может располагаться в непосредственной близости к потребителю или даже быть мобильной (например, для снабжения энергией и водой океанских судов), обеспечивает идеальную экологическую чистоту и отсутствие любых вредных выбросов в окружающую среду, а кроме того может дополнительно использоваться для сотовой связи, интернета, видео-наблюдения, высотной рекламы, грозозащиты, климатической защиты (например, для предотвращения ураганов и торнадо), регулирования климата (например, отсечением дождей для предотвращения наводнения или, наоборот, снабжения водой для предотвращения засухи), затенения в жарких странах и многого другого…

АэроГЭС – это громадный энергетический потенциал, в десятки раз превосходящий все потребности человечества, второй по ресурсу после непосредственно Солнца. Ведь облака, более-менее равномерно распределенные по всей планете – это и есть уже огромный природный резервуар энергии Солнца, причем доступный независимо от времени суток. А кроме того АэроГЭС, в отличие от других ВИЭ, имеет собственные возможности аккумулирования энергии как за счет естественного гидроаккумулирования (особенно при каскадной схеме с обычными ГЭС), так и за счет накопления водорода в своих аэростатах.

АэроГЭС также является идеальным ВИЭ для получения перспективного топлива будущего — водорода. Другим ВИЭ для производства водорода нужна дистиллированная вода, тогда как АэроГЭС имеет априори и идеальную воду из облаков (практически дистиллят), и идеальную «зеленую» гидроэнергию. Можно показать, что накопление водорода в аэростатах самой АэроГЭС позволяет увеличить ее возможности аккумулирования в 600 раз! А кроме того эти же аэростаты можно использовать и для транспортировки водорода и пресной воды уже как дирижабли.

Наконец, технико-экономические расчеты показывают, что АэроГЭС может обеспечить снижение себестоимости энергии на 1-2 порядка по сравнению с другими энергетическими технологиями и имеет очень короткий срок окупаемости. Это связано с тем, что все основные ВИЭ (панели, ветер, облака) имеют тот же порядок по плотности энергии (~100 Вт/м2), но только для АэроГЭС всю эту энергию практически без потерь можно слить в одну точку (труба/турбина), сделав часть пропорциональную площади несравненно дешевле, чем в других альтернативах. А это предполагает на 1-2 порядка меньшие удельные капиталовложения и низкие сроки окупаемости (~ нескольких месяцев), что позволят быстро перестроить энергетику и успешно пройти энергетический и климатический коллапс в районе 2050-2100 годов. Технология АэроГЭС полностью теоретически разработана и частично подтверждена натурными и лабораторными экспериментами, проведены необходимые технико-экономические и инженерные расчеты, компьютерное моделирование и оптимизация.

Все материалы проекта можно найти на сайте airhes.com.

Дополнено.

Так как встал вопрос экономики и некоторых технических деталей реализации, то привожу расчет авторов концепции по малому объекту.

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.