Вселенная состоит из трех элементов:
энергии, материи и неограниченного личного интереса.
«Вавилон-5», сериал Дж. М. Стражински
Идея смелая и вместе с тем труднореализуемая: использовать энергию воды в облаках, чтобы получить электричество с помощью летающих станций — Аэро ГЭС. Инженер Андрей Казанцев рассказывает, в чем суть его разработки и как ее можно воплотить в жизнь.
Как родилась ваша идея Аэро ГЭС? Что подтолкнуло к ее разработке?
Я по профессии инженер-атомщик и долгое время занимался термоядерными реакторами. И хотя потом я некоторое время не работал в энергетике, но продолжал следить за основными трендами в этой области. Про возможность использовать энергию облаков я задумался почти случайно. Подтолкнул же к этому анализ известных решений в энергетике, неудовлетворенность ими и внутренняя уверенность, что у задачи есть эвристический уровень решения.
В чем преимущества и отличительные черты вашего проекта от других современных разработок альтернативных источников энергии?
В первую очередь Аэро ГЭС — не альтернативный источник энергии. Это просто разновидность ГЭС, т. е. она использует известный издревле источник гидроэнергии, возникающей от энергии Солнца. Это энергия огромной термодинамической машины, одного из самых мощных процессов в природе — круговорота воды, который поглощает почти четверть всей падающей на планету энергии Солнца или почти половину доходящей до поверхности Земли. Простейший термодинамический анализ показывает, что даже при сравнительно низком КПД Карно (менее 10%) круговорот воды создает гигантские мощности, на 2-3 порядка превышающие потребности всего человечества. Грубо говоря, нам достаточно использовать лишь каждую сотую каплю дождя. А дальше решение возникло почти автоматически, стоит лишь задать правильные вопросы. Например, почему мы не можем получить эту гигантскую энергию на обычных ГЭС? Потому что существуют:
- Потери по вертикали: все осадки теряют основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на сопротивление воздуха и удар о землю.
- Потери по горизонтали: большинство осадков выпадают в океан или на равнину, так что их использование становится невозможным или экономически не выгодным.
Поэтому сток всех рек в 11 раз меньше, чем все осадки, а мощность всех рек в 200 раз меньше исходной мощности осадков (т. е. мощности облаков).
Отсюда очевидно, что для того чтобы избежать этих потерь, нужно собирать воду там, где она реально конденсируется (т. е. прямо в облаках) и использовать весь возможный гидравлический потенциал в любом месте земли или океана. И, разумеется, не я первый, кто до этого додумался. Например, подобное предложил и гениальный Никола Тесла еще в 1915 году.
Дальше стоит проблема технической реализации этой идеи. Например, еще до меня профессор, д. т. н. Александр Сергеевич Байбиков нашел свое решение (патент RU 2407914 C1 от 18.09.2009). Не зная об этом, я разработал другую технологию (Аэро ГЭС, патент RU 2500854 C1 от 17.04.12).
Основные преимущества Аэро ГЭС в том, что она основана на естественном и мощнейшем процессе самой природы, а это:
- громадный потенциал, намного превосходящий все потребности человечества;
- почти повсеместное использование (там, где есть капельные облака);
- получение нескольких ресурсов сразу — электричества, водорода, пресной воды;
- принципиальная возможность снижения себестоимости энергии на 1-2 порядка;
- абсолютная экологическая безопасность по любым загрязнениям, включая CO2;
- спасение климата, экологии и теплового баланса планеты;
- отсутствие высоких технологий, возможность почти кустарного производства;
Как вы думаете, почему, хотя большинство компонентов Аэро ГЭС давно известны и доступны, до недавнего времени никто всерьез не задумывался о ее создании?
Честно говоря, сам удивляюсь! Аэро ГЭС — объединение трех широко известных компонентов:
- собственно ГЭС, известных со времен древних водяных мельниц;
- сеток для сбора тумана (а в данном случае облаков, которые тот же туман, но выше уровня земли), известных по крайней мере с 80-х годов прошлого века;
- систем поддержания этих сеток в воздухе на базе аэростатов и кайтов, также широко применявшихся еще 100 лет назад, в Первую мировую войну.
Может быть, все, кому это смутно приходило в голову, не удосужились прикинуть возможные параметры такого технического синтеза, так как на первый взгляд кажется, что система получается огромной, громоздкой (следовательно дорогой), а выход воды и энергии будет смешным… Однако если провести технико-экономические расчеты, такая система оказывается не только конкурентоспособной, но и значительно выгодней любых существующих альтернатив.
Более того, сейчас особенно важны те преимущества, которые дает Аэро ГЭС для экологии и сохранения климата. Возможно, это даже более критично для будущего человечества, чем просто проблема нехватки энергоресурсов.
Как вы оцениваете результаты испытания прототипа на Селигере летом прошлого года? Оправдали ли они ваши ожидания?
В целом, положительно. Это был первый научный эксперимент такого рода. Ну, и как обычно, первый блин комом. Странно, если бы было иначе… Тем не менее качественный результат, подтверждающий возможность получения воды и энергии из облаков, с нашей точки зрения, был получен. Кроме того, возникли представления о том, в каком направлении следует двигаться дальше.
Как вы считаете, почему ваш проект собрал достаточно много негативных отзывов? Есть ли у них обоснования? Как вы учитываете их в своей работе?
А когда абсолютно новая, пионерная идея не подвергалась обструкции? Это естественно! Как говорил Макс Планк: «Новая научная теория приобретает своих сторонников по мере вымирания ее противников».
Если серьезно, то многочисленные дискуссии с оппонентами, конечно, полезны. Мне пришлось сделать много расчетов и прочитать немало источников из смежных отраслей знаний, чтобы найти ответы на те многочисленные вопросы, которые задавали критики. Окончательный ответ может дать только практика, создание прототипов и их испытания, однако нельзя за деревьями не видеть леса. Для меня очевидно, что неразрешимых физических проблем у Аэро ГЭС нет. Есть, безусловно, очень сложные вопросы, касающиеся аэродинамической устойчивости, прочностных характеристик на предельных ветровых нагрузках, гидродинамики, но эти вопросы технические, конструктивные, которые надо последовательно решать (и, несомненно, можно решить).
Например, представьте, что в 40-е годы прошлого века кто-то предложил бы построить АЭС или отправить человека в космос. Очевидно, что его в лучшем случае сначала бы просто сочли идиотом, так как критики тут же накидали бы кучу проблем и вопросов, на которые нельзя было бы сразу дать удовлетворительные разъяснения. Но если перед человечеством встает задача получить результат, то постепенно ответы находятся, и уже через 10—20 лет задача решается. Поверьте, проблемы Аэро ГЭС несопоставимо проще проблем АЭС или космоса, но зато результат куда более важен — он на уровне термоядерной энергии или даже выше! Аэро ГЭС может навсегда решить основные глобальные проблемы, которые сейчас встали перед человечеством. Так неужели мы поленимся найти для них чисто конструктивные решения?
В каких регионах возможна работа Аэро ГЭС, а где условия неблагоприятны?
В принципе, Аэро ГЭС может работать везде, где есть облака в капельной фазе. Разумеется, это создает ограничения для северных стран, где такие облака присутствуют только летом. Конечно, это проблема, но метеозависимость свойственна, к сожалению, почти всем возобновляемым источникам энергии. Для Аэро ГЭС это означает, что в теплое время года она должна за счет избытков полученной энергии просто наработать достаточный запас водорода, который можно хранить в собственных аэростатах или подземных хранилищах (как сейчас запасают природный газ) и использовать его зимой в той же существующей энергетике, в которой сейчас используют нефть и голубое топливо.
Идеальная зона для использования Аэро ГЭС — это экваториальный облачный пояс, где капельные облака круглый год находятся на высотах до 5 км и где можно получать эту энергию с максимальной плотностью. В принципе, мощность этого пояса вполне достаточна, чтобы обеспечить весь мир дешевой электроэнергией, пресной водой и водородом.
Например, можно предположить, что в такой будущей энергетике водород будет постоянно вырабатываться на экваторе, заполнять громадные аэростаты и затем транспортироваться в них же (как уже в дирижаблях) в индустриальные районы севера, попутно снабжая тропические засушливые зоны пресной водой и создавая комфортные условия жизни практически на всей планете.
Какие погодные явления (сильный ветер, низкие температуры и тому подобное) могут помешать работе Аэро ГЭС, а какие ей не страшны и почему?
Нет плохой погоды, есть плохая одежда. Разумеется, Аэро ГЭС можно рассчитать под любые погодные условия, но не всегда овчинка стоит выделки. Есть огромный набор многолетних метеонаблюдений по всей планете, который дает возможность оценить статистические данные по осадкам, облачности, температуре и скорости ветра. Анализ таких данных позволит оптимизировать наиболее пригодные зоны использования Аэро ГЭС с точки зрения экономической выгоды.
Кроме того, в конструкцию Аэро ГЭС изначально закладываются обратные связи, которые будут автоматически на физическом уровне обеспечивать ее живучесть и устойчивость. Например, возможно случайное обледенение сеток Аэро ГЭС приведет автоматически к ее снижению в более плотные и теплые слои атмосферы, где лед будет просто таять, после чего она будет восстанавливать рабочую высоту. Или, например, свободная подвеска сетей (только за верхний край) не позволит нагрузкам от спонтанных порывов ветра разрушить систему, так как парусность станет автоматически снижаться при аномальном усилении ветра.
Помимо этого, Аэро ГЭС может управляться простейшими контроллерами, которые на основе текущих метеоданных, а также диспетчерских команд, полученных через Интернет, будут целенаправленно менять высоту (за счет накопления или слива воды в верхнем бьефе) и аэродинамические углы атаки (за счет использования энергии того же ветра через управляемые храповики такелажа), для того чтобы избежать разрушительных нагрузок и обеспечить максимальную производительность Аэро ГЭС.
Какой практический выход от проекта вы планируете получить в ближайшие 5—10 лет?
Задача Аэро ГЭС — заменить основную часть топливной энергетики к 2050 году. За ближайшие 5—10 лет необходимо построить и опробовать на прототипах различные основные конструктивы Аэро ГЭС от кВт-ных до ГВт-ных мощностей. Я полагаю, что уже первые прототипы смогут подтвердить высокие технико-экономические показатели Аэро ГЭС, а дальше все остальное сделает бизнес, который, увидев сумасшедшую рентабельность и низкие сроки окупаемости, начнет с огромной выгодой для себя (а не из-под палки как сейчас) вкладывать деньги в новую зеленую энергетику… И тогда лет через 20—30 наши дети и внуки будут жить в совсем другом мире.
