Европа, Канадская Арктика и синдром Аляски

Глава первая.

Потребление энергии необходимое условие жизнедеятельности человека. Для нас это электроэнергия в домах и заправка автомобилей топливом. Тепло, освещение в детских садах и школах. Обустройство рабочих мест, в офисах, медицинских учреждениях, в гигантском промышленном производстве. Так получается, что спектр энергопотребления чрезвычайно широк. И для поддержания его на должном уровне совершенствуется топливная индустрия, прогнозируются к потреблению новые виды топлива. Приходит осознание, что нас ожидает пришествие новых технологий. Где запасы природных энергоносителей уже не будут занимать главенствующую позицию, а появится много больше синтетического топлива. Фундаментом для развертывания таких технологий остается солнечная энергия и энергия воздушных потоков. Эти два вида энергии превосходят весь мировой ресурс энергии, получаемый через сжигание топлива. Формирование нефти и газа в недрах проходило за тысячелетия, а человечество беззастенчиво израсходует этот природный ресурс в два-три столетия. Дальше остается только переход к новому технологическому укладу. Где необходимо будет использовать другие виды топлива и технологии производства энергии. При этом наиболее рационально использовать запасы природных энергоносителей, которые останутся в зоне доступности. Одним из инструментов преобразования возобновляемой энергии является ветрогенерация. Сейчас споры немного поутихли, сторонники и противники так и не приходят к единому мнению. Но, от этого на Земле ничего не меняется. Все так же возобновляемая энергия существует, в таких явлениях как сильные ветра, как испепеляющая жара. Живя безоблачно и отстраненно имея запасы природных энергоносителей, мы не используем энергию таких явлений. А будущие поколения будут вынуждены к этому вернуться. И нам живущим сейчас стоит призадуматься, каким образом это будет происходить? Не из любопытства, а в желании приложить силы на осознанную работу в истинных ценностях.

Ветрогенерация.

Среди установок, что используют энергию ветра и солнечную энергию ветрогенераторы занимают чуть больше 50% объема выработки электроэнергии. На рисунке многолопастное ветроколесо 19 века. Которое приводило в действие водяной насос, а вода подавалась в емкость. Из которой затем шел отбор для бытового потребления местными жителями. А когда емкость заполнялась водой полностью, насос работал на холостом ходу. Это позволяло нивелировать хаотичность потоков ветровой энергии. То есть получалось, что отсутствие ветра не помеха, потому что есть объем запаса воды.

Таким образом, схема аккумуляции исключительна важна в интерпретациях самых различных машин.

Например, электроэнергию ветрогенератора легко преобразовать в тепловую энергию вот в такой печи. Через дополнительные колодцы с нагревательными элементами. Кирпичная кладка печи, это емкий тепловой аккумулятор. Работа ветрогенератора сводит до минимума использование, например дров в отоплении. Вот таким образом энергия ветра преобразуется в объемы тепла в доме. Это одна из схем использования электрической энергии ветрогенератора. Так тепловые аккумуляторы разделяются на жидкостные и твердотельные. Жидкостный, когда в тепловом аккумуляторе теплоносителем принимается, например вода. Вода теплоемкое вещество сохраняет до 210 МДж энергии в одном кубометре при разнице температур 50-100 градусов. Примером может служить широко распространенное водяное отопление в жилых домах.

Тепловой аккумулятор, с твердым теплоносителем, например кирпичом или мраморной крошкой в один куб. сохранит столько же энергии, но при разнице температур теплоносителя 100-250 градусов. А тепловой аккумулятор с очень большим объемом теплоносителя и соответственно большим запасом тепловой энергии позволит длительное время точно распределять тепловую энергию при отоплении. А совместная работа ветрогенераторов в несколько единиц, с тепловым аккумулятором в зоне интенсивных воздушных потоков может обеспечить без топливный цикл отопления уже более внушительных объемов. Все годы своей службы ветрогенераторы будут вырабатывать электроэнергию. Пусть хаотично и прерывисто, электроэнергию, которая не соответствует общепринятым параметрам электрической сети напряжением 220 вольт с частотой 50 герц. Электроэнергию, которую нельзя напрямую использовать в работе с бытовыми приборами, холодильником, телевизором, приборами освещения. А только с использованием дополнительного оборудование в виде преобразователя, коммутатора или инвертора.

Таким образом надо приспосабливать полученную электроэнергию в более устойчивый продукт, например в виде тепловой энергии. Где в качестве теплового аккумулятора используют заполнение шахты твердым теплоносителем. Когда в шахту опускается свыше десяти тонн кирпича, щебня или мраморной крошки и тепловая энергия достигает 3 ГДж, и выше. При этом шахта с большим объемом теплоносителя, может стать источником получения электрической энергии. Через работу теплового двигателя, где рабочий цикл определяется разницей температур между теплом шахты и температуры систем охлаждения. Тепловой двигатель по конструкции и эксплуатации, бесшумный и тихоходный. Своего рода мини электростанция, которая не расходует топливо, а только тепловую энергию шахты.

Прототипом тепловой шахты может служит песочный тепловой аккумулятор из Германии на рисунке:

Правда в работе ветрогенератора с тепловым аккумулятором может наступить время, когда процесс аккумуляции исчерпает свой ресурс. Например, зимой может наступить аномальный период затяжных морозов и безветрия, возьмем критическую цифру 30 дней. Ухищрения технологии не в состоянии сохранить энергию в тепловых аккумуляторах или даже в шахте на таком отрезке времени, если мала общая мощность ветрогенераторов и объемов теплоносителя в шахте. Поэтому тепловая энергия в помещениях вынужденно поддерживается сжиганием дров в печах, каминах или резервными источниками. Это отрезок времени, использования резервных источников. Как например дрова, этанол или газообразный синтетический метан. Когда отсутствие ветра закончится и воздушные потоки снова набирают силу, ветрогенератор начинает работать. Шахта установки пополняется тепловой энергией. Тепловая энергия поступает для отоления жилого дома. Чем больше объем теплоносителя и мощность ветрогенератора, тем больше временной отрзок сохранения и потребления тепловой энергии. Работа автономных установок с ветрогенераторами, частично отменит сжигание топлива. В энергопотреблении, это замещение и сочетание в векторе биоэнергетики. Там, где сжигается объемы топлива в виде дров, древесной щепы, торфа, пеллет и тому подобное, а сейчас это занимает до 10% от мирового уровня производства энергии. Установки ветрогенераторов и солнечных электростанций, по факту отменяют часть объема сжигания топлива самого «грязного» если так уместно будет выразится. Прежде, чем обсуждать далекие и безоблачные перспективы топлива водород, лучше увидеть то, что лежит буквально под ногами.

Воздушные потоки и ветрогенераторы.

Пограничное соприкосновение воздушного потока с землей определяет движение воздушных масс как низкий слой воздушного потока. На рисунке движение воздушного потока через лесополосу. Что визуально представляет как движение низкого слоя. Высокий слой воздушного потока, на рисунке сверху. Где идет основное перемещение воздушных масс. А ветрогенераторы гиганты работают в этом потоке. Как так получилось, что развитие современных ветрогенераторов пошло по такому пути? Влияие здесь оказала «голландская школа», где изначально ветряные установки использовались для откачки воды. Затем в 20 веке произошло бурное строительство машин, с выработкой электрической энергии. Ветрогенераторы строились выше и выше, и самым естественным образом стали работать в высоком слое воздушных потоков. С точки зрения конструктора это удобный вариант, когда площадь установки занимает мало места. Правда фактор воздействия на среду обитания человека никуда не делся и чем выше установка, тем больше площадь покрытия от вредного воздействия работы ветрогенератора. Электрической энергии вырабатывается много больше, но это не становится главным ресурсом энергопотребления для Европы. При этом современная концепция сохранения окружающей среды не учитывает факторы воздействия, как-то замедление воздушных потоков, течения рек и морских течений. Это существует, и пока нет никаких вразумительных объяснений по преодолению такого воздействия. Так большое число ветрогенераторов гигантов вызывают замедление воздушного течения. Раз течение воздуха замедляется то температура в этой среде повышается. Повышение температуры ведет к недостатку влаги и иссушению почвы. Результат, снижение плодородия сельскохозяйственных земель. Полагаем что современные парки ветрогенераторов размещают с намерением использовать многие десятки лет. И это в какой-то мере есть степень воздействия на климат территории.

Обратимся к нашему времени и европейской равнине. Здесь дополнительным фактором использования возобновляемой энергии, будет размещение небольших ветрогенераторов. Которые работают в низких слоях воздушных потоков. А условием для такого размещения будет совмещение ветрогенераторов с сельскохозяйственными и придорожными лесополосами. Ветрогенераторы располагаются на определенном расстоянии друг от друга в один ряд с лесополосой и занимают совсем немного места. Правда установки ветрогенераторов совсем не гиганты, а высоту имеют на уровне произрастающих деревьев. То есть выше кроны деревьев на три-четыре метра. И мощность генератора установки не превышает 50 кВт.

Кажется совсем немного. Но несколько сот установок, собранных в одно управление это уже действующий объект генерации. Определяется как Станция генерации. Это могут быть совсем небольшие объекты, так и значительные по своей мощи производства.

А получаемую электрическую энергию везде будут использовать для последующих технологий преобразования. Главный вопрос ветрогенерации состоит в том, что электрической энергии можно выработать очень много, но гораздо труднее создать конечный продукт энергопотребления. Таким продуктом является; топливо удобное для применения во всех сферах и качественная электрическая энергия. Электроэнергия, соответствующая параметрам сети и с постоянством обеспечения. Если первую часть технологии, а именно производство водорода с использованием возобновляемой энергии проста и понятна. То второй отрезок технологии наиболее сложен и все сводится к большим энергозатратам.

И только с использованием самых различных комбинаций производства энергии, приходит создание устойчивого цикла энергопотребления.

Единичные автономные энергетические установки тоже могут входить в общий реестр производителей энергии. А могут работать автономно по программе составленной для владельца установки. Даже если располагаются близко к жилой зоне на среду обитания человека оказывают минимальное воздействие. Их привлекательность заключается в том, что человека окружают много механизмов и устройств, в большинстве это потребители топлива или электрической энергии. И только автономная энергетическая установка производитель продукта. Продуктом производства здесь является, тепловая энергия и электрическая энергия. Которая производится без сжигания топлива и принадлежит владельцу установки. Тепловая энергия поступает для отопления жилых помещений. Что снижает расходы владельца за отопление, за электрическую энергию. Правда надо учитывать, что интенсивные потоки преобладают не везде. Тем не менее получение энергии кратно дешевле, привлекает. Так как нивелирует издержки сурового климата и создает дополнительное жизненное пространство. В котором неизбежно будут нуждаться будущие поколения. И только полное энергетическое обеспечение позволяет создать на таких территориях необходимый комфорт проживания и полноценную жизнедеятельность населения. Таким образом, использование ветрогенераторов в низких воздушных потоках, несет нейтральный статус. Такие поля не участвуют в замедлении природного движения воздушной среды, и не участвует в деградации климата Земли. Есть территории значительные по площади и пока они остаются в резерве освоения. Это территории, аридного климата и арктические поля, в настоящее время характеризуются как малопригодные для проживания. К аридному климату жарких пустынь можно отнести территорию Австралии. К аридному климату холодных пустынь, пустыню Гоби. Здесь фактором необходимого размещения является продуктивность выработки электрической энергии.

Ветрогенератор инструмент преобразования.

Речь идет о ветрогенераторах двух типов. Первый предназначен к работе на арктических полях и приравненных к ним территорий. Где имеют место сильные ветра и суровый климат. Второй тип установок к размещению на равнинах средних широт, предназначен к работе с более слабыми ветрами. Где установки могут размещаться на полях с ограничением. И как автономные установки частного владения. Два типа установок представляют собой один из векторов использования возобновляемой энергии.

При построении полей ветрогенераторов в Арктике и приравненных территориях, существует фактор негативного воздействия окружающей среды на установки. Под влиянием отрицательных температур, на поверхности конструкции осаждается ледяной покров. На фотографии конструкция, подвергшаяся обледенению.И это условия арктического климата, в которых придется работать и неизбежно приспосабливаться.

Статистика географических районов Земли показывает, что обледенение происходит в интервале отрицательных температур, и такая вероятность в диапазоне температур от −5° С до −10° С и влажности свыше 85 %. Вне этого интервала вероятность обледенения быстро понижается. В ходе процесса обледенения нет условий противостоять этому, остается только устранить последствия. В обычной практике для этого применяется распыление реагентов и т.д. В случае с ветрогенераторами такие действия не приемлемы. Предпосылки к обледенению и начало самого процесса, заставят остановить работу установки. Потому что способа противодействия обледенению практически нет, только остановка ротора и режим ожидания. После исключения возможного ущерба, производится выход из режима ожидания. После запуска установка продолжит работу в обычном режиме. А запуск большого числа ветрогенераторов на полях осуществляется по команде с Станции генерации. Следующий фактор воздействия, это чрезмерная сила воздушных потоков, когда скорость ветра достигает свыше 40м/сек. Что является по сути ураганом. Когда температура воды в мировом океане повысится увеличится и объем водяного пара в атмосфере, что будет причиной все большего количества ураганов и смерчей. Будет расти их разрушительная сила и частота возникновения. Что может оказать влияние на такие климатические изменения? Масштабное снижение вредных выбросов в атмосферу при выработке электрической энергии, снижение вредных выбросов транспортными средствами. Сделать это в короткие сроки практически невозможно. Но если будет длительное и последовательное использование новых технологий, то можно приостановить кризисные явления. И конечно один из самых опасных факторов воздействия на установки ветрогенераторов являются торнадо. Смерч или торнадо возникает от поступления теплого воздуха над холодными участками земли.

В месте соприкосновения происходит конденсация водяного пара и выделяется тепло которое устремляется вверх, а в этом месте создается разряжение. Зона разрежения заполняется теплым воздухом облаков и холодным воздухом нижнего слоя.

Ураганы случаются не каждый день, но их появление грозит катастрофическим последствия для полей ветрогенераторов. Выход здесь видится только в конструкции ветрогенератора, способной противостоять ударам стихии. Ветрогенераторы работающие в низких воздушных потоках обладают определенной прочностью конструкции. Высота таких установок не превышает 15 метров, и сила отклонения конструкции под напором ветра не является критичной. ветрогенератор переводится в режим ожидания. В этом режиме аэродинамический коэффициент сопротивления снижается. Что дает установке способность противостоять критическим порывам ветра до 60-70 м/сек.

Смерч набирает энергию, образуется воронка. На рисунке: торнадо рушит ветрогенераторы гиганты в штате Айова. Холодные и теплые объемы воздуха дают энергию и продолжительность явления. Чем большие объемы воздушной среды задействованы и чем больше разница температур между теплыми и холодными слоями, тем разрушительнее стихия. Для ветрогенератора смерч опасен эффектом скручивания. Когда под воздействием вращения на платформе образуется центробежная сила способная опрокинуть установку. Здесь хорошая обтекаемость установки как способ защиты от разрушения. И на это можно рассчитывать до известных пределов. Но, если взять «коридор торнадо» Северо-Американского континента, то частота и мощь проходящих торнадо представляет серьезное препятствие для размещения установок ветрогенераторов. И даже в этом случае установки могут работать так как у них есть режим ожидания и механизм для спуска и подъема платформы.

Правда установка стоит дороже и срок ее окупаемости более продолжителен. В целом конструкция имеет преимущества, потому что позволяет избежать разрушений от стихии и в тоже время планомерно работать в обычных условиях межсезонья.

Климатические изменения будут направлены в сторону большей агрессии и этому можно противопоставлять только техническое совершенство оборудования и инструментария.

А вот в что касается субарктических и арктических территорий то здесь нет почвы для существования смерча, торнадо. Это сказывается позитивно на размещение ветрогенераторов. В тоже время, препятствием для работы ветрогенераторов в северных широтах являются снежные заносы, метель и пурга. Снежный занос природное явление, связанное с обильным выпаданием снега в течении сутокпри ветре 15м/сек. Метель квалифицируется переносом снега над землей. Часто метель сопровождается снегопадом.

В метели участвует выпавший снег ранее и снег, падающий в настоящее время. Пурга, это сильный ветер со снегопадом.

Снежные заносы и метели останавливают движение на автомобильных и железных дорогах. Нарушается нормальная жизнедеятельность в поселениях. Может быть, на установку снежный занос не окажет воздействия так как ротор находится на высоте выше семи метров. Но сфера обслуживания установок основывается на транспортной инфраструктуре, на дороге и подъездных путях. Тогда представим, что необходимо постоянно в зимний период бороться с снежными заносами, задействовав технику и персонал. А число ветрогенераторов на Станции генерации исчисляется тысячами. И все они связаны в сеть обслуживания, что является прямой и обратной связью в чистом виде. На арктических полях основные работы по обустройству падают на подъездные пути к Станции генерации. А монтаж ветрогенераторов на полях проводится мобильными бригадами специалистов без подготовительных работ. Арктический ветрогенератор работает в жестких условиях морозов и сильных ветров, имеет меньшую площадь парусности. И в полной мере отвечает требованиям, которые предъявляются к установкам, работающим на плите вечной мерзлоты.

На одном кв. километре таких установок разместится до 400 ед., и они без особых усилий смогут соперничать с ветрогенераторами гигантами, как по занимаемой площади, так и по объему производимой электроэнергии. Ветрогенераторы низких воздушных потоков дешевле в производстве и обслуживании, отвечают надежности и безопасной эксплуатации.

Средний срок службы навесного оборудования до 40 лет. Колонна и опоры будут в рабочем состоянии в два раза дольше, при доведении до лучших образцов. По окончании срока почти стопроцентная утилизация, где не будет никаких кладбищ лопастей из композитных материалов.

На установках применяется режим ожидания. Для противостояние ударам стихии, когда скорость воздушного потока достигает критических величин. Когда может возникнуть аварийная ситуация для оборудования, например, выход из строя подшипников качения, замыкание обмотки генератора. Другие события, которые могут вывести из строя установку полностью если не ввести режим ожидания с остановкой ротора. Потому что, вибрация и неуравновешенность являются главными причинами разрушения при больших скоростях движения воздушного потока. Собранный в заводских условиях ротор и протестированный на вибрацию пригоден для работы на длительный срок. Конечно же производство ветрогенераторов будет в промышленно развитых районах, где имеется возможность обеспечить квалифицированные рабочие места. Но размещение ветрогенераторов будет происходить в отдаленных районах за многие сотни и даже тысячи километров. Из этого исходит что аспект транспортабельности имеет немаловажное значение даже не как элемент конструкции, а как элемент технологии.

Мы затронули проблемы воздействия на установку, и продолжая эту тему обратим внимание на то, а как воздействует поле ветрогенераторов на человека и окружающую среду? Надо отметить, что здесь есть сдвиги в лучшую сторону, так как ветрогенераторы работающие в низких потоках имеют ряд особенностей. Установка в работе не оказывает воздействия на человека от визуально вращающихся элементов лопастей роторов, потому что на установке не просматривается вращение ротора, находящегося в тоннеле. Зонтичное покрытие шума от установки имеет малое пятно, потому что верх покрыт защитной скатной кровлей. Конечно, углеродная энергетика существует с её довольно незавидными последствиями на среду обитания человека. Это и окись углерода как продукт отработки, и кислотные дожди, оксиды азота, наконец радиоактивные загрязнения. А тут всего лишь шум. Но это раньше можно было отмахнуться от проблемы и с упорством отвергать и игнорировать источник негативного воздействия. А завтра, когда энергопотребление расширит применение новых технологий даже такое явление будет иметь значение для размещения установок.

А для полноценного энергетического обеспечения на одного человека необходимо по самым скромным подсчетам 55 мегаватт электрической энергии в год, что является эквивалентом к одной тонне газообразного водорода. При благоприятных условиях работы даже малая установка ветрогенератора выработает свыше 50 мегаватт в год. Правда это будет только первичная электроэнергия для выработки водород-кислорода и это важно для технологии. А у потребителя запросы простые: необходимо иметь электроэнергию для полноценной жизни, средства для передвижения, пусть это будет автомобиль или электромобиль. Потребителя устраивает и то и другое. Главное, что будет рентабельнее для его собственного бюджета и удобно в пользовании. Вдохновенные идеи сохранения окружающей среды у него все равно на втором плане. Продвижением технологий занимается научно-инженерный корпус, именно здесь должно проходить работа, которая определяет лучшее будущее.

Глава вторая.

Станция генерации водорода.

Технология становится сложнее. Если исходить из того, что одиночные ветрогенераторы продуктивно работают, то также могут работать и целые поля ветрогенераторов. А производимая ими электрическая энергия будет направлена на выработку электролизного водорода, основополагающего топлива для энергопотребления. Потому что, развитие технологий будет направлено на то, что наиболее приемлемо. А выбор среди технологий преобразования электролизного водорода совершенно невелик. Или технология «CH4-синтетический метан» углерод с водородом, или технология «NH3» азот с водородом в виде аммиака. И использование газообразного водорода и кислорода как топлива, в электрохимических генераторах и процессах сгорания.

Если обратимся к дню сегодняшнему, то скажем утвердительно что поля ветрогенераторов есть, и они определенным образом работают. Их работа настроена на выработку промышленной электрической энергии. И это достаточно сложно, привести работу ветрогенератора к производству такой электроэнергии. Потому что, ветрогенератор не имеет постоянства в выработке электроэнергии. Из этого следует что его работа это всего лишь дополнение к другим источникам генерации. А это электростанции, где сжигается уголь или природный метан. Гидроэлектростанции, которые вырабатывают электроэнергию условно чистым путем. Атомные электростанции тоже будем считать, что электроэнергию вырабатывают условно чисто. Таким образом получается, что ВЭС могут быть производительны только вот в таком «энергетическом коктейле генерации». Отсюда и получается территориальная привязка к промышленным центрам и большим потребителям энергии. А энергию воздушных потоков необходимо использовать в процессе производства топлива и передачи его в хранилища. В этом случае существующие объекты генерации электрической энергии и тепловой энергии получая это самое топливо из хранилищ будут иметь возможность всегда бесперебойно работать. Значит работа электростанций будет связана не с карьерами угля или газовыми месторождениями, а связана с работой Станций генерации водорода и хранилищами. Какой объем водорода будет выработан и сохранен, столько и можно будет потом произвести из него электрической энергии. А преобразование водорода в другие носители делает жизнеспособной технологию достаточного энергопотребления. Высокий слог просто о топливе водород это скорее надуманный вымысел, от которого следует отказаться, а приступать к трудной и продолжительной работе по настоящей водородной энергетике. В основе которой лежат энергоносители, и водород, и метан, и аммиак.