Насколько реальна гравитационная электростанция?

Придуман новый источник энергии: это гравитационное поле Земли. Добывать энергию из него разработчик предлагает с помощью так называемой гравитационной электростанции (ГРАЭС). Принцип действия ГРАЭС, по замыслу изобретателя, таков: рабочая жидкость капиллярными силами поднимается вверх в подъемном канале, испаряется под действием тепла, а выходящий из капилляров пар сжимается компрессором. Он подается на обратную сторону капиллярной структуры, где конденсируется и выделяет тепло, испаряющее новые порции жидкости, конденсат падает по опускному каналу, приобретает от гравитационного поля энергию, которую отдает гидротурбине, и снова поступает в подъемный канал.
 

Суть работы

Гравитационная электростанция – это станция закрытого типа, преобразующая энергию гравитационного поля планеты в электричество и тепло. Она состоит из подъемного канала, верхнего отсека с компрессорами и теплообменниками, наружная поверхность которых покрыта тонким слоем капиллярной структуры, опускного канала и нижнего отсека с установленной в нем гидротурбиной. Подъем рабочей жидкости из нижнего отсека в верхний через подъемный канал происходит за счет сил капиллярного всасывания, создаваемых капиллярной структурой. Когда жидкость проникает внутрь капилляра на боковой стенке теплообменника, через стенку из теплообменника поступает тепло, испаряющее жидкость. Пар выходит наружу, сжимается компрессором и подается внутрь теплообменника.

Так как испаряющийся пар находится в состоянии насыщения, при его сжатии температура насыщения растет и оказывается выше температуры жидкости в капиллярах. Поэтому возникает температурный напор между паром внутри теплообменника и жидкостью на его внешней поверхности: пар конденсируется, а выделяющееся тепло проходит через стенку аппарата и испаряет новые порции жидкости из капилляров. Конденсат падает по опускному каналу, поглощает энергию гравполя и отдает ее гидротурбине с электрогенератором. Часть полученного электричества питает компрессоры, другая идет потребителю.

 

Сходство с природными явлениями

Известно, что теплота фазового перехода с увеличением давления снижается, поэтому может показаться, что при конденсации пара выделится тепла меньше, чем требуется на испарение такого же расхода жидкости. Реальная ситуация будет прямо противоположной. Пар при его сжатии компрессором нагревается настолько, что его температура растет быстрее температуры насыщения, и он оказывается перегретым. Суммарная теплота перегрева и конденсации будет больше теплоты испарения по той причине, что компрессоры вносят в пар избыточную энергию и выполняют роль нагревателя, компенсирующего утечки тепла из верхнего отсека в атмосферу. Поэтому возникнет проблема отвода избыточного тепла. Для решения данной проблемы придется часть пара отводить в специальные паровые конденсаторы и там переводить его в жидкую фазу путем воздушного охлаждения.

Работа ГРАЭС частично напоминает те процессы, которые происходят в природе. Вода под действием капиллярных сил поднимается по стволу дерева к листьям, испаряется и поднимается далее в верхние слои атмосферы, где конденсируется из‑за низкой температуры. Конденсат падает дождевыми каплями на землю, проникает в почву и через корни снова поступает в ствол дерева. Но имеются и отличия. В природных условиях процессы испарения и конденсации разнесены в пространстве и происходят в разных точках с разной температурой. Наличие природного температурного напора делает компрессор ненужным. В установках закрытой схемы испарение и конденсация идут практически в одном месте и разделяются лишь тонкой стенкой теплообменного аппарата, поэтому для таких схем требуется компрессор, создающий необходимый температурный напор.

 

Рабочее тело

На сегодняшний день единственно приемлемым рабочим телом ГРАЭС являются жидкие металлы, а из них наилучшие характеристики показывают металлы щелочной группы и их эвтектики (раствор сплавов, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре). Это обусловлено тем, что оптимальный перепад температур между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью обычно невелик (несколько десятых долей градуса), поэтому для создания больших тепловых потоков через стенку теплообменника и больших расходов рабочего тела приходится использовать вещества с высоким коэффициентом теплоотдачи испарения и конденсации.

Этому условию удовлетворяют только жидкие металлы. Использование воды ведет к уменьшению выработки энергии в несколько тысяч раз по сравнению с жидким металлом, и такая ГРАЭС оказывается экономически неконкурентоспособной. А использование аммиака еще сильнее снижает выработку энергии. Ртуть могла бы быть хорошим кандидатом на роль рабочего тела, если бы не высокая ядовитость ртутных паров и чрезвычайно огромная ее коррозионная активность при температурах испарения. (При таких температурах ртуть растворяет в себе многие конструкционные металлы. С этой проблемой столкнулись американцы, когда в 1970‑х гг. опробовали работу ядерного реактора с ртутным теплоносителем – ртуть «съела» всю начинку реактора за две недели). Окончательно для расчетов была выбрана эвтектика натрий+калий с температурой плавления –11° C и температурой испарения 784° C.

 

Почему не годится фреон?

Что касается фреона, у него имеется очень хорошее для использования в ГРАЭС свойство: низкая теплота фазового перехода испарение-конденсация. Чем ниже теплота, тем больше будет расход теплоносителя при неизменном тепловом напоре и тем больше окажется мощность станции. Но у фреона есть два больших недостатка, которые препятствуют его использованию в ГРАЭС. Во-первых, он имеет низкую, по сравнению с металлом, теплопроводность. Для испарения это не очень важно, т. к. высокая теплопроводность металла капиллярной структуры заметно компенсирует низкую теплопроводность жидкости. Но для конденсации это оказывается ключевым фактором. Образованный конденсат тонкой пленкой покрывает всю поверхность теплообмена и за счет низкой теплопроводности снижает общий тепловой поток в тысячи раз по сравнению с использованием жидкометаллического теплоносителя. С целью преодоления данного недостатка необходимо вместо пленочной конденсации организовать капельную, когда конденсат не смачивает поверхность, а стягивается на ней в отдельные крупные капли, оставляя большую часть поверхности свободной от жидкости. Для этого необходимо покрыть поверхность очень тонким слоем фреоноотталкивающего вещества. Но таких веществ пока нет, их еще нужно создать.

Во-вторых, существующие сейчас фреоны обладают низкой температурой кипения, обычно ниже максимальной температуры самого жаркого летнего дня. При таких соотношениях температур отвод избыточного тепла из верхнего отсека станции в атмосферу летом становится невозможным. Поэтому надо получить новую разновидность фреона, которая имела бы температуру кипения на уровне 60‑70° C. В принципе, пути получения такой разновидности фреона известны. Практика показывает, что увеличение молекулярной массы фреона смещает температуру его кипения в сторону более высоких значений. Одновременно с этим растут плотности жидкой и паровой фаз, что также играет важную роль. Увеличение плотности жидкой фазы позволяет при одинаковой высоте подъемного и опускного каналов получить более высокую мощность станции из‑за роста гидростатического напора в опускном канале. А увеличение плотности паровой фазы позволяет снизить энергозатраты компрессора на сжатие пара (затраты энергии на сжатие обратно пропорциональны плотности пара). Но таких фреонов тоже пока нет, их еще необходимо создать.

 

Двухслойная структура

Капиллярная структура на теплообменниках выполняется двухслойной: внутренний слой с крупными порами большого радиуса, наружный – очень тонкий слой с мелкими порами малого радиуса. Такая схема позволяет решить две противоборствующие проблемы. С одной стороны, для максимального повышения мощности станции и удешевления вырабатываемого электричества нужно поднять рабочее тело как можно выше, для чего необходимо использовать капилляры малого радиуса. С другой стороны, уменьшение размера пор ведет к росту гидравлического сопротивления, что снижает расход жидкости. Если мы используем двухслойную структуру, тогда гидросопротивление потоку жидкости оказывается невысоким, так как жидкость поднимается по внутреннему слою с крупными порами. Когда она затем проникает внутрь наружного мелкопористого покрытия и затем движется поперек его, общее гидросопротивление от этого сильно не увеличивается, т. к. толщина наружного покрытия очень невелика, всего десятые доли миллиметра. Зато значительная кривизна мениска жидкости в мелких порах создает высокие капиллярные силы.

Расчеты показали, что оптимальная высота теплообменников составляет 10‑15 м, при этом кпд станции достигает 52 %, высота подъемного и опускного каналов лежит в интервале 500‑600 м, а мощность станции равна 600‑1000 МВт. Если выбрасываемое наружу тепло преобразовать в дополнительное электричество обычным турбомашинным способом, тогда кпд вырастает до 69 % с соответствующим увеличением мощности. Оказалось, что имеется также оптимальное значение температурного напора между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью –0,42 ° C. При таком значении напора достигается максимальная электрическая мощность. Если увеличивать температурный напор выше этого значения, выработка электричества падает, потому что большую часть вырабатываемого электричества приходится пускать на компрессоры, и оно в установке окончательно преобразуется в тепло.

 

К вопросу о КПД

Следует отметить тот факт, что для ГРАЭС понятие коэффициента полезного действия, заимствованное из тепловой энергетики, теряет старый смысл. Для тепловых станций величина кпд показывает отношение полезной электрической энергии, отправляемой потребителю, к полной тепловой энергии сгорания топлива. Последняя величина определяется только массой и качеством топлива и никакие технические усовершенствования станции не могут ее изменить. Для ГРАЭС такие технические усовершенствования меняют одновременно как тепловую мощность (или мощность на гидротурбине), так и электрическую (тепловая мощность минус энергозатраты компрессора). Поэтому для ГРАЭС понятие кпд перестает показывать техническое совершенство процесса. Теперь оно показывает лишь соотношение между вырабатываемой на самой станции и отправляемой потребителю энергиями. И может оказаться так, что чисто экономически окажется выгодным даже несколько занижать кпд, зато увеличивать отпуск энергии потребителю.

Поперечные размеры подъемного и опускного каналов также оказались оптимизируемыми – примерно 1,5 метра в диаметре. При уменьшении диаметра ниже этого порога сильно растет гидросопротивление, и как результат падает суммарный расход при неизменном капиллярном напоре. При увеличении диаметра выше оптимума гидросопротивление каналов становится намного меньше оного капиллярной структуры и на общем гидросопротивлении уже не сказывается, зато общая масса рабочего вещества и затраты на его очистку и подготовку заметно растут.

Если говорить о капитальных затратах на строительство, то они оказываются обычно в 1,5‑2 раза меньше по сравнению с тепловой станцией аналогичной мощности. Зато эксплуатационные издержки из‑за отсутствия потребления топлива оказываются ниже в десятки раз. А экологическое воздействие на природную среду вообще становится мизерным, так как отсутствуют выбросы парниковых газов, тяжелых металлов, оксидов серы и азота, радиоактивных элементов и т. д.