Новый глобальный энергетический ресурс, средства и последствия его использования

"Вестник энергосбережения Южного Урала"

В физико-математическом лицее № 31 Челябинска ведутся специализированные курсы, в том числе «Физические принципы энергетики». За 6 лет учащиеся создали ряд работ и доложили о них на учебно-научных конференциях разного статуса (включая международный). В 2004 году они участвовали в областном конкурсе «Бережем планету вместе», организованном Министерством строительства, инфраструктуры и дорожного хозяйства Челябинской области и ОГУП «Энергосбережение», и заняли первые места в номинации «Исследование». Предлагаем вашему вниманию статью о двух разработках, а более подробно об исследованиях лицеистов можно узнать на сайте www.fml31.ru в разделе «Наука».

А.В. Горшков, В.Е. Устимчик, Д.Р. Карипов, ФМЛ № 31 Челябинска

Новый глобальный энергетический ресурс, средства и последствия его использования

Энергетические ресурсы делят на условно-невозобновляемые (углеводороды, вращение Земли и морские течения, тепло недр Земли, ядерно-энергетическое сырье) и условно-возобновляемые (биомасса, солнечное излучение и его следствия — осадки, течение рек, ветер). Сейчас в мире широко строятся солнечные (СЭС), ветрокинетические (ВЭС), гидравлические (ГЭС) электростанции. Они имеют ряд недостатков. СЭС в умеренном поясе обладает низкой удельной мощностью, лишь порядка 40 Вт/м2. ВЭС в большинстве местностей с низкой скоростью ветра (в среднем 4 м/c) дает удельную мощность также низкую, до 90 Вт/м2. ГЭС очень мощны и дешевы, но «привязаны» к уникальным географическим участкам.

Однако до сих пор остается практически неиспользуемым еще один ресурс — ветротепловой. Еще в 50-е годы А.Ф. Иоффе предлагал использовать разность температур между ветром и морскими течениями, реками, озерами. Это практически используется в последние 30 лет в Норвегии и Японии, где есть такая постоянная разность температур. Но если этой разности нет?

Можно использовать зависимость температуры от времени. Несколько лет тому назад в России был изобретен «Уральский кубик» — преобразователь случайных или периодических колебаний температуры окружающей среды в полезную работу (электроэнергию). «Уральский кубик» — это устройство, содержащее теплообменник, теплопроводник, тепловую машину или термоэлектрический преобразователь, размещенный на пути теплового потока, отличающийся тем, что содержит тепловую емкость, теплоизолированную от окружающей среды везде, кроме теплопроводника.



В «дневной» фазе теплота из окружающей среды входит внутрь тепловой емкости, в «ночной» фазе выходит наружу, в обоих случаях совершается полезная работа. Выведены формулы для удельной мощности и цены единицы мощности ветротепловой электростанции (ВТЭС), содержащей «Уральский кубик».

Полезная мощность «Уральского кубика» (ВТЭС с термоэлектрической машиной — ТЭМ) больше, чем полезная мощность ветряка (ВЭС) при скорости ветра меньше, чем «первая критическая»:



, где h” — «технический уменьшающий множитель» (по сравнению с идеальной физической тепловой машиной), Sвз — площадь входного сечения воздухозаборника.

Это условие выполняется практически везде, кроме штилевых зон экваториального пояса. Более того, «Уральский кубик» можно снабдить вентилятором, создающим вынужденную конвекцию. Это не «вечный двигатель», а реальное изобретение. Вентилятор потребляет много меньше мощности, чем «Уральский кубик» вырабатывает полезной, если скорость дутья вентилятора мала, много меньше «второй критической»:



Это условие выполняется в континентальном климате.

На глобальной схеме видно, что при существующем уровне техники к середине 21-го века возможна и экономически целесообразна постройка ВТЭС в Сахаре и Аравии (транспорт в Европу и Россию); в «солнечном сплетении Азии» — Средней Азии и Иране (в Россию), Центральной Азии (в Китай, Индию, ЮВА, Корею, Японию, Россию); на «полюсе строгости» — на Верхоянско-Оймяконском нагорье (в Россию и Японию); на «Диком Западе» — в Колорадо, Калифорнии, Неваде (в США) и в других местностях. Там себестоимость единицы мощности может быть снижена до 0,6 евро/Вт, а себестоимость единицы энергии до 0,1 цента/ГДж.

Работа авторов поддержана премиями губернатора П.И. Сумина, экс-главы города В.М. Тарасова, стипендиями ЮУрГУ. В настоящее время В.Е. Устимчик под руководством А.В. Горшкова разрабатывает подробное технико-экономическое обоснование строительства ВТЭС в условиях Южного Урала, Средней Азии и на Ближнем Востоке.

Также известно энергетическое использование тепла недр Земли (природа которого состоит в распаде радиоактивных элементов в глубинах планеты). В трудах Ломоносова уделяется внимание измерению естественной конвекции в глубоких шахтах, которая также связана с разностью температур между атмосферным воздухом и земными недрами, которые чем глубже, тем теплее, градиент температуры в среднем 30 К/км, а в местах естественного вулканизма — в несколько раз больше.

На основании этого ученик челябинского лицея № 31 Денис Карипов в 2001 году изобрел аэрогеотермическую электростанцию (АГТЭС), рассчитал зависимость ее характерных свойств от параметров, построил ее действующую модель, провел экспериментальные измерения ее полезной мощности. АГТЭС отличается от обычных геотермальных источников тем, что теплоносителем является не жидкость (например, вода) и не водяной пар, а газ (водород, аммиак, метан, спирт, эфир, ацетон, легко испаряющиеся углеводороды, фреоны, воздух, влажный воздух), причем теплоноситель не просто передает тепло из недр на поверхность, а совершает полезную работу в турбине или термоэлектрической машине. Казалось бы, незначительное отличие — не жидкий, а газообразный теплоноситель — приводит к принципиально новым возможностям АГТЭС.

И не только потому, что теперь нет необходимости бурить скважину до столь глубоких слоев, где T>100 0C. Во-первых, зависимость удельной кинетической мощности (Вт/м2) в выходном сечении конфузора (сопла Прандтля в верхней части восходящего канала АГТЭС) от глубины скважины очень сильная — кубическая (если <<10 км). А стоимость скважины от глубины растет медленнее, чем квадратично. Рассчитана минимальная технико-экономически выгодная глубина АГТЭС (2–3 км) – см. рис.



Во-вторых, время «всплывания» нагретого газа на поверхность на три порядка меньше, чем жидкости. Поэтому требования к теплоизоляции восходящего канала радикально меньше. Интересно, что из-за линейного повышения температуры с глубиной время всплывания газа является приблизительно константой, для скважины любой глубины (но <<10 км) — порядка одной минуты.

Расчеты показывают, что, невзирая на очень малую плотность потока энергии из недр Земли на ее поверхность, казавшуюся ранее пренебрежимой, глубокая скважина АГТЭС так изменит распределение температуры, что она станет «концентратором, стоком теплоты» в «тепловой яме» (области внутри теплых недр, охлажденной до среднегодовой температуры атмосферы), собирающей теплоту с огромной площади, порядка квадрата своей глубины, и отдающей ее холодному теплоносителю — воздуху. Плотность потока кинетической энергии восходящего в скважине АГТЭС воздуха может в сопле Прандтля достигнуть сотен кВт/м2 , а его скорость — ураганной, десятков м/с и более.

При большой глубине скважины (или из горячих недр, или на планетах с гораздо большей, чем на Земле, силой тяжести) возможна установка наверху восходящего канала АГТЭС сверхзвукового сопла Лаваля и больший КПД. Однако нет смысла располагать АГТЭС чаще, чем на расстоянии порядка своей глубины, и это ограничивает мощность отдельной АГТЭС величиной порядка МВт (как у танкового двигателя), а диаметр скважины — обычный, не более долей метра.

АГТЭС не привязана к каким-либо геологическим особенностям и может быть осуществлена практически в любом месте, в том числе в отработанных скважинах и шахтах. АГТЭС в далеком будущем можно будет применять даже на иных планетах с «теплыми» недрами (и заполнять ее метаном, аммиаком, водородом, гелием, водяным паром, взрывобезопасными смесями этих газов). АГТЭС может быть открытой в атмосферу, а может быть выполнена с замкнутым циклом теплоносителя и рабочего тела и снабжена в верхней части скважины теплообменником между отработавшим теплоносителем и атмосферой (особенно это выгодно в полярных широтах, в Антарктиде). Теплообменник может содержать в себе и термоэлектрический генератор, использующий для выработки полезной мощности разность температур между восходящим и нисходящим потоками.