Краткая оценка перспективности некоторых способов и устройств превращения энергии ©Данилюк Анатолий Иванович В настоящее время известно довольно много способов и устройств преобразования энергии из одного вида в другой. Многие из них нашли практическое применение в человеческой деятельности и получили, в общем-то, не совсем корректное название способов «генерации» и «генераторов» энергии. Часть из них стали массовыми и составляют основу «большой» промышленной энергетики. Часть применяется в меньших масштабах и поэтому относится к «малой» энергетике. Некоторые считаются «альтернативными» (по отношению к массово применяемым сейчас), некоторые – перспективными и/или потенциально перспективными, остальные – бесперспективными для практического применения.
Исключительная важность энергетики, постоянный рост энергопотребления и неминуемое исчерпание части известных энергоносителей стимулируют поиск новых ресурсов и усовершенствование старых. Поэтому есть потребность периодически сравнивать и оценивать для конкретных условий применения перспективы и возможности известных и «новых» (для широкой общественности, но не для специалистов) способов и устройств преобразования энергии. Вот некоторые из них.
1. Гидроаккумулирующая станция (ГАЭС)
Существенная зависимость КПД электростанций и электросетей от режима работы довольно часто делает выгодным применение гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) для сглаживания пиков энергопотребления. Чувствительность ГАЭС к режимам работы значительно ниже чувствительности генерирующих станций и сетей, поэтому ГАЭС может без проблем потреблять избыточную энергию из энергосети в часы минимального энергопотребления и отдавать ее в сеть в часы максимального энергопотребления. И хотя общий КПД системы при этом падает нередко на 30-50%, общая экономия обычно оказывается значительно больше и с лихвой окупает эти потери, недешевое строительство и эксплуатацию ГАЭС.
Стоимость строительства ГАЭС определяется, в значительной мере, размерами водохранилища и плотины. Наличие на полуострове узких длинных фиордов с крутыми прочными каменистыми берегами значительно упрощает задачу, позволяя существенно сэкономить на строительстве плотины – на ее длине и на дальности транспортирования строительных материалов – скальных пород. Последнее обстоятельство в сочетании с низкой опасностью незначительной фильтрации и даже прорыва воды в открытое море может послужить дополнительным основанием для уменьшения объема бетонных работ за счет увеличения более дешевой насыпной части плотины. Кроме того, свою энергию генераторам ГАЭС будут отдавать все речные и талые воды, стекающие в ее водохранилище, внося свою, хоть и небольшую, но дармовую прибавку к энергии.
Выбор фиорда можно сделать исходя из простого приблизительного расчета. За 10 часов один блок АЭС мощностью 1 ГВт (1 миллион киловатт) выработает 10 миллионов кВт-часов электроэнергии. Один кубометр (1 т) воды аккумулирует 1000 кГм=1/360 кВт-ч при подъеме на 1 м и 1/36 кВт-ч при подъеме на 10 м, что может быть реализовано при 16-17-ти метровой плотине с колебаниями уровня воды в водохранилище от 5 до 15 м над уровнем моря. Для аккумулирования 10 миллионов кВт-часов потребуется 10/(1/36)=360 миллионов кубометров воды, для которой тоже потребуется водохранилище площадью 36 миллионов кв. метров или 36 кв. километров при 10 метровой глубине. При увеличении глубины еще на 10 м (в 2 раза) высота плотины увеличится до 26 м, а потребная площадь водохранилища уменьшится в 4 раза до 9 кв. км. Таких фиордов сравнительно недалеко от Мурманска можно найти несколько. ГАЭС с мощностью 1ГВт достаточно для полного сглаживания суточных колебаний энергопотребления от 0 до 2 ГВт при постоянной мощности основной генерирующей Кольской АЭС в 1 ГВт.
Вынужденно высокая рециркуляция воды в водохранилище ГАЭС (обновление до 80-90% каждые 12 часов) при достаточной изолированности в остальном экосистемы водохранилища от моря создает почти идеальные и почти дармовые условия для промышленного выращивания ценных морских рыб, крабов, мидий и т.п., которое эффективно только при высокой плотности популяций, принципиально недостижимой в других водоемах. В этих условиях становится выгодным и использование в качестве корма большинства пищевых отходов города, что позволит дополнительно удешевить продукцию ГАЭС-рыбхоза и улучшить попутно экологическую ситуацию. Для этого достаточно только наладить раздельный сбор-сортировку и обеззараживание этих отходов.
Кроме описанной ГАЭС «классического» типа известны и другие концепции ГАЭС, в том числе разработанные авторами специально для других геофизических условий, не позволяющих строить ГАЭС классического типа.
2. Приливная гидроэлектростанция (ПГЭС)
Приливные гидроэлектростанции работают при вынужденно очень низкой плотности энергии водных потоков, поэтому обычно проигрывают в рентабельности электростанциям других типов. Однако возможность накопления больших масс воды на больших мелководных прибрежных акваториях часто позволяет сделать использование энергии приливов достаточно рентабельным, так как стоимость длинной мелководной насыпной плотины малой высоты оказывается вполне приемлемой. Еще дешевле могут быть короткие плотины в узких проливах, соединяющих большие по площади заливы с морями, например, Белое и Баренцево моря.
Максимальная высота приливной волны в районе полуострова по справочнику может достигать почти 5 м за счет сложения большой лунной приливной волны и вдвое меньшей солнечной приливной волны. Но условия сложения зависят также от времени суток, фазы Луны и от времени года, точнее, углов наклона земной оси к плоскостям орбит Земли и Луны. Поэтому высоты суммарных приливных волн колеблются каждые сутки, каждый месяц и каждый год в пределах от минимума около 1,5 м до указанного максимума, то есть, примерно в 3 раза. Пиковая мощность ПГЭС определяется, в основном, пропускной способностью заложенных в ней гидроагрегатов, но средняя мощность и максимальная выработанная энергия прямо пропорциональны создаваемому приливом и используемому агрегатами среднему перепаду высот воды в море и водохранилище, не превышающему половины высоты волны, в нашем случае – 0,75-2,5 метра. И это в идеале, при достаточно большой (во много раз) избыточной (неэффективно используемой) площади водохранилища. А реальный используемый («эффективный») средний перепад может быть еще меньше, вплоть до нуля, из-за несинхронности приливных волн и пиков генерации электроэнергии. Поэтому ПГЭС может быть достаточно эффективной только в сочетании с ГАЭС равной или близкой производительности, что не является особой проблемой для изрезанного фиордами Кольского полуострова. Более значительную проблему представляют сравнительно большие глубины у его берегов, удорожающие строительство, и льды замерзающего Белого моря.
Удельное количество энергии, запасаемой водохранилищем ПГЭС при эффективной высоте подъема воды на 0,75-2,5 метра, составляет 10000 Н/м2*(0,75-2,5 м)/3600000 Дж/кВт-час = 0,002-0,007 кВт-ч/м2 = 2000-7000 кВт-ч/км2. С учетом двухкратности приливов максимальная удельная производительность (мощность) ПГЭС составит 4-14 тыс. кВт-ч в сутки на каждый кв. километр водохранилища ПГЭС. А двукратное использование протекающей через плотину воды (туда и обратно) позволит ещё удвоить производительность ПГЭС до 8-28 тыс. кВт-ч в сутки на кв. км.
3. Волновая гидроэлектростанция (ВГЭС)
Средняя удельная поверхностная энергия обычных (ветровых) волн намного (на порядки) больше средней удельной поверхностной энергии приливных волн при соизмеримой высоте (1-5 м) за счет на порядки большей частоты колебаний. Однако эта энергия не может быть эффективно использована из-за малых (единицы и десятки метров) длин волн, требующих установки множества (на каждую волну) соразмерных волнам волновых коллекторов на всей акватории ВГЭС. В сочетании со значительной (на порядки) изменчивостью длин и высот волн это делало бы такое решение задачи вообще нерациональным и экономически, и технически. Положение смягчается подвижностью волн, способных понемногу длительно накапливать энергию на всей длине свободного пробега в открытом море и полностью терять ее при столкновении с препятствием. Это дает возможность строить намного более простые, надежные и дешевые линейные волновые коллекторы в более удобных местах вдоль береговой линии и с их помощью собирать энергию, накопленную волнами на сотнях метров от берега.
Общий поток W энергии, приносимой волнами к береговой линии, пропорционален высоте h волн в степени 2,5 и составляет примерно W=11,5 h2,5 кВт/м или 11,5 h2,5 МВт/км.
Дальше все зависит от суммарных потерь преобразования энергии волн в электрическую энергию. До 20% теряется в приводах и еще до 10% – в электрогенераторах и сетях. Но наибольшие (от 30 до 100%) потери происходят непосредственно в волновых коллекторах. Они обусловлены турбулентностью и трением потоков воды из-за неизбежной неидеальности конструкций, а также отражением значительной части волны при отклонении режима ее поглощения коллектором от оптимального. А такие отклонения неизбежны вследствие больших разбросов параметров (высота, длина, скорость) приходящих волн. Поэтому максимальный КПД ВГЭС редко превышает 30%, и с погонного километра береговой линии можно реально снимать не более 3-40 тыс. кВт/км при высоте волн 1-3 м, что во многих случаях вполне приемлемо.
Однако из-за полной зависимости работы от силы и направления ветра ВГЭС может быть достаточно эффективной только в паре с ГАЭС достаточной (для компенсации многих безветренных дней) емкости, что существенно удорожит строительство, если поблизости нет такой готовой ГАЭС. И ситуацию смягчает только то, что потребность в дополнительной энергии обычно возрастает именно в ветреную погоду, преимущественно для компенсации тепловых потерь зданий.
4. Ветряные электростанции (ВЭС)
Плотность воздуха примерно в 700-800 раз ниже плотности воды, поэтому потоки воздуха несут намного меньшую кинетическую энергию 0,65-5,2 кВт/м2 даже при больших скоростях ветра 5-20 м/с. Современные аэродинамически совершенные воздушные турбины (роторы, винты, пропеллеры, ветряки) с управляемым шагом лопастей способны преобразовать до половины этой энергии с КПД до 50%. При этом ометываемая винтом площадь («площадь винта») примерно в 2 раза больше сечения эффективно перехватываемого им потока. Поэтому при указанных скоростях ветра реальная удельная мощность винта не превышает 16% удельной плотности потока энергии ветра, то есть, 13-800 Вт/м2, и при длине лопастей, например, 5м (диаметр 10м) такая ВЭС будет генерировать мощность от 1 до 68 кВт и должна при ветре 20м/с выдерживать сдвигающие горизонтальные усилия до 2 тонн, что представляет собой отдельную задачу. Усилия можно существенно уменьшить только за счет пропорционального уменьшения мощности (простое уменьшение КПД влияет меньше).
Поэтому основным преимуществом ВЭС перед другими типами ЭС можно считать только возможность ее сооружения в практически любом месте, что важно для индивидуальных застройщиков частных участков. Ограничивают эту возможность только прочность грунта в месте строительства, допустимый уровень довольно значительных активных и пассивных электромагнитных помех от быстро вращающихся огромных лопастей и довольно высокий уровень их опасности в аварийных ситуациях.
Кроме того, из-за полной зависимости работы от силы и направления ветра ВЭС может быть достаточно эффективной только в сочетании с ГАЭС достаточной (для компенсации многих безветренных дней) емкости, что либо обесценит ВЭС либо существенно удорожит строительство, если поблизости нет такой готовой ГАЭС. И ситуацию смягчает только то, что потребность в дополнительной энергии обычно возрастает именно в ветреную погоду, преимущественно для компенсации тепловых потерь зданий. Существенным ограничением нескоординированного массового применения ВЭС является также сильное и пока не всегда предсказуемое влияние их на атмосферные потоки. Например, чрезмерное замедление преимущественно западных тёплых и влажных гольфстримовских ветров на побережье вполне может превратить Европу в новую Сахару и без глобального потепления. Исключить такое развитие событий может только достаточная координация деятельности всех заинтересованных людей, что не просто.
Но все сказанное справедливо только по отношению к сравнительно большому количеству больших ВЭС с многометровыми лопастями. А в случае дежурного освещения отдельного маленького объекта (дачи, сторожки, поста) в отдаленной местности конкурировать с маленькими ВЭС (с 1-2-метровыми лопастями в сочетании с доступными автотракторными аккумуляторами) могут только мини-ТЭЦ на основе ДВС, несомненно более удобные, надежные, безопасные, компактные и мощные, но требующие расходуемого дефицитного органического топлива. Более разумным же представляется не противопоставление-конкуренция, а сочетание таких мини-ТЭЦ с маленькими ВЭС, позволяющими экономить дефицитное топливо за счет части даровой энергии ветра при повышении общей надежности системы.
5. Экономичные мини-ТЕЦ
Перспективными в современных условиях являются не только способы и устройства вовлечения в хозяйственный оборот новых энергоресурсов, которых осталось не так уж и много по сравнению с постоянно растущими потребностями, но и способы более рационального использования имеющихся. К ним можно отнести способы и устройства освещения и отопления помещений, более совершенные по сравнению с используемыми. К сожалению, большинство из них, несмотря на многочисленные попытки их усовершенствования, обладает недостаточной эффективностью, поэтому проблема пока остается нерешенной в целом.
Но авторам известны и достаточно эффективные технические решения, внедрение которых в практику является только вопросом времени. К таким решениям можно отнести переносные малогабаритные мини-ТЭЦ с электрическим КПД до 40-50% и тепловым КПД до 90-95% на основе новых экономичных надежных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с электрогенераторами-имитаторами сети 220В 50Гц 0,1-5 кВт и электронным управлением. Такие мини-ТЭЦ способны полностью решать все энергопроблемы любых удаленных объектов при существенно меньших капитальных и эксплуатационных затратах. При прочих равных условиях они способны сэкономить топлива для существующих энергосистем даже больше, чем «даровые источники» энергии, принося больше удобств. А в сочетании с разработанными специально для них «генераторами» топлив-акумуляторов способны надолго и полностью решить все энергопроблемы всего населения Земли. Хотя, к сожалению, не в условиях практикуемой гео-полит-экономической изоляции, не оставляющих почти никаких шансов малоурожайным заполярным регионам. Однако Кольский полуостров представляет счастливое исключение из этого правила благодаря наличию базовой АЭС и малой рассеянности населения, способных при достаточно разумном подходе скомпенсировать последствия такой изоляции.
6. Производство жидких органических топлив из органического сырья и отходов
В основу технологии производства жидких органических топлив положена модифицированная версия довольно известного способа термохимической переработки растительного сырья и органических отходов.
Наша модификация только сделала способ пригодным для получения искусственных аналогов бензинов основных марок в промышленных масштабах, сделав его практически безотходным, экологически безвредным, экономически выгодным и доступным для малых хозяйств с возможностью превращения их в перспективе из потребителей в производителей наиболее востребованных жидких двигательных топлив.
Все малые и удаленные поселения могут быть полностью переведены на автономное энергоснабжение, что повышает надежность хозяйства (и безопасность государства). Все органические отходы, в том числе накопленные ранее на мусорных свалках, могут быть переработаны в топлива. Длительность применения этого способа ограничена только стабильностью свечения Солнца. При достаточно массовом применении возможно даже некоторое упорядоченное влияние на климат планеты.
Массовое применение способа позволяет полностью избежать неконтролируемых процессов распада нефтехимии, двигателестроения, транспорта, энергетики и избежать общественных катаклизмов при не столь далеком исчерпании ископаемой нефти. Существует возможность бескризисного преобразования этих отраслей.
На переходный период сохраняется достигнутый уровень техники и жизни людей. Возможно увеличение общего производства жидких органических топлив в несколько раз, ограничиваемое только наличием свободных посевных площадей и наиболее высокоурожайных сортов полевых растений. Последнее ограничение устанавливает абсолютный предел производства топлив этим способом. Но этот предел во много (101-2) раз превышает все существующие потребности современного населения Земли.
7. Производство вторичных топлив-аккумуляторов
В основу способа производства положено представление о топливах как аккумуляторах других видов энергии.
В частности, органические топлива по п.6 являются только аккумуляторами рассеянной энергии солнечного излучения, сконцентрированной растениями-концентраторами энергии и вещества. Поэтому максимальное количество таких топлив существенно ограничено интенсивностью источника-Солнца, площадью концентраторов-растений и их эффективностью. У людей есть некоторая возможность влиять методами селекции растений только на последний фактор, в смысле повышения КПД усвоения энергии растениями. Но эта возможность тоже весьма ограничена, а потому ограничен и способ, хотя его возможности и превышают сейчас во много раз потребности населения Земли.
Разработанный способ производства вторичных топлив-аккумуляторов позволяет уже при существующем уровне техники достичь КПД аккумуляции электрической энергии порядка 80-90%, что существенно выше КПД знакомых всем автотракторных аккумуляторов и ГАЭС. Некоторые вторичные топлива не только сохраняют удобство обычных топлив, но и обладают рядом преимуществ. В частности, их производство намного меньше ограничено энергетическими и материальными ресурсами, они менее трудоемки и экологически несравненно менее вредны, чем даже сравнительно безвредные искусственные органические топлива по п.6. В качестве новых материалов и энергоносителей они открывают путь к принципиально новым технологиям в материальном производстве, строительстве и на транспорте, например, на воздушном, подводном, подземном и внутригородском. Их применение в энергетике уже сейчас позволяет повысить средний КПД использования энергии солнечных лучей до 10-15% против 2-3% по п.6. Возможность использования непригодных для растений земель только многократно увеличивает эти цифры. Но, естественно, наибольший эффект даст применение этих топлив в качестве аккумуляторов и переносчиков ядерной энергии. Меньшие потери и меньшая уязвимость трубопроводов по сравнению с ЛЭП дают возможность сосредоточить все ядерные станции, например, за полярными кругами и перекачивать топлива-аккумуляторы в лучшие широты (с новыми энергоносителями все сегодняшние пустыни станут пригодными для обитания людей и даже, частично, для земледелия). В совокупности производство энергии может быть достаточным для обеспечения жизни сотен миллиардов людей на Земле, правда, оставляя без ответа вопрос «зачем?», актуальный для многих человеческих изобретений.
Но при всех неоспоримых и привлекательных преимуществах описанных вторичных топлив-аккумуляторов они имеют один очень большой и существенный недостаток – их отсутствие в настоящий момент и, соответственно, необходимость строительства и перестройки множества составляющих топливной и всех смежных отраслей, на которые потребуются многие годы.
В целом, приведенные характеристики являются краткими и неполными, но они представляются достаточными для принятия решений и выбора дальнейших направлений работ. Авторам известен еще ряд технических решений, несколько улучшающих технико-экономические характеристики описанных объектов. Однако их описание выходит за рамки поставленной простейшей задачи.
Опубликовано в И-нете впервые 29.03.2009 на http://www.worldphysics.narod.ru/26.html Данилюк А.И. Картавин Н.Н. Краткая оценка перспективности некоторых способов и устройств превращения энергии
в условиях Кольского полуострова
andan-1@yandex.ru
©Картавин Николай Никитич
kartavin@yandex.ru
06.05.06
