Витая в облаках

В 2013 г. российский инженер А. Н. Казанцев получил патент РФ на интересное и чрезвычайно необычное изобретение - аэроГЭС. Автор предлагает использовать гидравлический потенциал... облаков и утверждает, что такую ГЭС можно эксплуатировать практически в любой точке мира, не нанося вреда окружающей среде. Давайте попробуем разобраться, как такое возможно.

Как известно, круговорот воды в природе - чрезвычайно мощный и энергоёмкий процесс. На испарение расходуется около половины солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. А гидравлическая энергия воды, выпадающей затем в виде осадков, более чем в 60 раз превышает все потребности человечества в энергии. К сожалению, традиционные гидроэлектростанции могут преобразовать в электричество лишь малую часть энергии воды, попавшей в реки.

Высокая идея

А что если не ждать, когда пар сконденсируется, выпадет в виде осадков и попадёт в реки, а попытаться использовать воду прямо там, где она образуется? Почему бы не разработать технологию, позволяющую «доить» облака и направлять воду непосредственно в гидротурбину? Эта идея принадлежит инженеру-энергетику А. Н. Казанцеву и профессору, д. т. н. А. С. Байбикову, изобретателям аэроГЭС (см. рис.).

По задумке изобретателей, дирижабль (или воздушный змей) поднимает сетки или плёнки на высоту, где температура находится вблизи или выше точки росы для данных атмосферных условий (обычно это 2-3 км - линия конденсации, или база облаков на аэрологической диаграмме). Там переохлаждённая атмосферная влага начинает активно конденсироваться на сетчатых или плёночных поверхностях. Дренажная система отводит эту воду в небольшой резервуар (верхний бьеф), откуда вода под напором всего перепада высот (2-3 км) поступает по напорному водоводу в нижний бьеф, расположенный на земле, и вращает турбину. Также возможно применение безнапорного водовода.

Идеальным кандидатом для размещения аэроГЭС может стать экваториальный облачный пояс, где капельные облака круглый год находятся на высотах до 5 км и где можно собирать энергию с максимальной плотностью. Однако, по утверждению авторов, в принципе для такой установки подходит любое место, включая огромные территории пустынь, морей и океанов.

Чилийские туманы

Интересно, что российские учёные - далеко не первые, кто озаботился задачей получения воды напрямую из облаков или тумана. Ещё в 1980-х их чилийские коллеги начали разрабатывать системы сбора питьевой воды из атмосферы. Предложенные ими установки, как правило, состоят из пластиковой ячеистой сети, закреплённой на стойках. Ветер, несущий туман с океана, дует сквозь сеть, капли воды собираются на её нитях и стекают в стоящий ниже резервуар.

Объём улавливаемой воды сильно варьируется в зависимости от толщины нитей сети, их материала или нанесённого на них покрытия, а также размера ячеек. Сегодняшние пассивные установки сбора тумана улавливают более 12 литров в день на квадратный метр поверхности, тогда как первые системы давали лишь единицы литров в день.

В горном районе Марокко в 2015 г. был реализован большой проект по установке системы сбора тумана, состоящей из 40 сетчатых блоков. Собранная из тумана вода смешивается с водой из скважин и подаётся в общую систему водоснабжения, обеспечивая более 400 местных жителей.

Самый масштабный и необычный проект по сбору тумана предложили чилийские архитекторы Альберто Фернандес и Сусана Ортега. Авторы проекта рассчитывают с помощью спиральной 400-метровой сетчатой «Туманной башни» собирать влагу, которую морской бриз «сдувает» с океана, очищать воду в фильтрах обратного осмоса, чтобы использовать её для питьевого водоснабжения. По расчётам авторов, одна такая башня может выдать как минимум 20 тыс. литров пресной воды в сутки.

Предварительный расчёт

Так вот, возвращаясь к аэроГЭС, отметим, что авторы идеи взяли в качестве базовой оценки объёмов сбора воды из облаков расчётную величину не для пассивных установок, как в Чили и Марокко, а для активных (флюгерных) высокогорных систем сбора тумана, фактически работающих в облаках. И эта величина составляет 100 л/м² в сутки. А для максимальных оценок объёмов сбора воды (верхней границы) выбрана расчётная величина сбора атмосферной влаги в районах интенсивного выпадения осадков (в экваториальной зоне, а также на юге Индии и Китая), равная 1000 л/м² в сутки.

В качестве трубопровода предлагается использовать стандартный напорный шланг-водовод (из прочных материалов, таких как Kevlar или Dyneema), безнапорный гравитационный шланг-водовод (канальный водопад) или канатную дорогу (обратный водоподъёмник).

А вот выбор гидроагрегата с учётом напора более 2 км ограничивается ковшовыми турбинами. Авторы указывают на то, что схожий напор (1883 м) уже давно используется на деривационной гидроэлектростанции Бьедрон в швейцарских Альпах.

В качестве нижнего бьефа авторы предлагают использовать небольшие водоёмы или, как возможный вариант, водохранилища, расположенные на возвышенностях, которые могли бы служить верхним бьефом для своеобразной каскадной ГАЭС. В этом случае аэроГЭС будет накапливать атмосферную воду в верхнем водохранилище, а ГЭС, расположенная внизу, будет извлекать энергию из этого гидроаккумулятора. Тонко согласуя режимы работы аэроГЭС и обычной ГЭС, можно нивелировать метеозависимость первой (разрывы в облачности, сезонные колебания и т. д.).

Кроме того, аэроГЭС может использоваться не только как источник электроэнергии, но и как установка по снабжению населения питьевой водой или ирригации.

Не готово

Несмотря на то, что авторы прочат своему изобретению коммерческий успех, а также быструю окупаемость и популярность даже среди частных владельцев, очевидны многочисленные проблемы, связанные с работой аэроГЭС.

Так, например, не решены вопросы обледенения аэростатов и улавливающих сеток, удержания установки в заданном месте, развёртывания самой системы улавливания тумана, стабилизации аэродинамических и аэростатических сил, парусности улавливающих сеток и прочие.

Во время первых испытаний прототипа установки на Селигере (без водовода и с небольшой сетью площадью 0,9 м²) удержать аэростат на высоте 1,5 км не удалось - трос оборвался, а сам аэростат лопнул. Хлопок был настолько мощным, что в прессе даже появилась версия о том, что аэростат сбила ракета. Подробных экспериментальных замеров не получилось, однако, если судить по косвенным признакам, была подтверждена возможность сбора влаги в облаке с оценочной производительностью около 5 л/м² в час.

Первый опыт показал, что необходимо провести дополнительные исследования и существенно доработать конструкцию методом проб и ошибок. Теоретически простроенная система на практике сталкивается не с расчётными условиями, а с непредсказуемыми метеорологическими явлениями, многие из которых заранее учесть невозможно.

Вообще говоря, проверить на практике работоспособность аэроГЭС непросто - хотя бы из-за того, что нет возможности масштабировать прототип, начиная с малых высот, и экспериментировать в лабораторных условиях. Необходимо сразу проводить эксперименты с крупным макетом на большой высоте, делая серьёзные инвестиции в спорный проект. Однако авторы верят в свою идею и рисуют амбициозную цель: к 2050 г. заменить львиную долю топливной энергетики на возобновляемую с помощью аэроГЭС. Возможно ли это, покажет время.

Об авторе: Анна Марченко, руководитель группы наблюдений за ГТС ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго».