Обращаем взор на Ростовскую область России и Донецкую область Украины. Здесь не всё так очевидно, как в Магадане, и предложения рассчитаны на более отдалённую перспективу. Это связано с тем, что здесь налаженное газовое отопление и зима короче. Но запасы природного газа не бесконечны. «Того, кто не готовится к далеким трудностям, ожидают ближайшие неприятности» (Конфуций)

Собираем вводные.

Во многих отношениях эти области диаметрально противоположны Магаданской. Сходны они только в одном: здесь, как и в Магаданской области наличествует тренд снижения зимней температуры. Почему? Не знаю. Думаю, рассуждения на эту тему непродуктивны. Если увижу, что кто-то поджег дом и убегает, не стану гнаться за поджигателем с целью выяснения его паспортных данных. В лучшем случае догнать поджигателя поручу тяжелому камню. А свои усилия направлю на тушение пожара. Именно такой подход предлагаю считать оптимальным в отношении любых изменений климата произошедших в последние десятилетия, либо возможных в будущем.

Даже если мы здорово поработаем с Сибирским антициклоном, предотвратить его нам пока не по силам. И пока эти области лежат на любимом шелковом пути проклятого сибиряка, с его прелестями: морозом градусов 20-25, очень сильным ровным ветром и сухостью воздуха (последнее для наших целей хорошо). По времени сибиряки не слишком долго господствуют здесь: в сумме месяц – полтора за зиму, с перерывами недели две-три. Но за это время они успевают нанести трудновосполнимый ущерб фруктовым садам и виноградникам, сорвать работу морских и речных портов бассейна Азовского моря и задрать вверх кончик кривой графика простудных заболеваний. Зато каждое лето в эту местность недели на три является с недружественным визитом воздух Сахары. И тогда + 32 — + 35 – норма. Раз в три – пять лет бывает и жарче и держится жара дольше. В среде синоптиков – климатологов такое явление обрело название «тепловая волна».

На западе Ростовской области и в Донецкой области Украины большая плотность населения. В сумме на этой маленькой по масштабам областей территории проживает 13-14 миллионов человек. У этой территории есть объединяющее название: Донецкий каменноугольный бассейн (Донбасс). Отсюда и многочисленность населения: добыча угля шахтным способом сама по себе операция трудоёмкая, потом уголь потянул к себе металлургию, а металлургия – тяжелое машиностроение, а при этом без железной дороги никак, а за ними потянулась проблема трудоустройства женской части населения… Здесь большие населённые пункты, в разы превосходящие всё население Магаданской области, стоят в непосредственной близости от уже не действующих шахт, а то и прямо на них. И там, под землёй огромные, суммарным объёмом на десятки-сотни миллионов кубометров, глубоко расположенные (некоторые на глубине около километра) пустоты, образовавшиеся за сто – сто пятьдесят лет извлечения угля и пустой породы.

В этом состоит уникальность Донбасса. На всём постсоветском пространстве нет местности, где было бы столь много столь глубоких и объёмных шахт.

Консервация, выведение отслуживших своё шахт – большая проблема http://www.geonews.com.ua/index.cgi?a=3372. Во избежание быстрой просадки на поверхности, шахты затапливают. В случае, когда просадка на поверхности совершенно недопустима (на этой поверхности жильё и производственные помещения) – заполняют полностью твердым материалом. Это большие расходы. Но и затопление шахты ничего хорошего не сулит.

— Вот подсунули нам предки-Стахановы проблему!

— Не проблему они нам подсунули. А дорогой подарок сделали, тяжким трудом созданный. Сумели бы мы только воспользоваться…

Посмотрим на энергетику региона.

Здесь в полной мере проявляется то, о чём мы говорили в начале. Регион этот не то чтобы сильно богат, но и не беднен. Кондиционирование ширится. Нужда в нём здесь бывает хоть и не долгая но острая. И отопление с 15 октября по 15 апреля вынь да положь. Правда, потребность в его мощности сильно варьируется. Пришёл сибиряк с морозом и ветром – одна потребность. Циклон Атлантики, с мелким дождиком – другая. Из прочих особенностей — назначение в период с середины июня по середину сентября дополнительных железнодорожных пассажирских поездов (здесь главный ход на кавказские и черноморские зоны отдыха). А это и электротяга и кондиционирование вагонов.

Отсюда пиковые нагрузки электропотребления с приходом сахарского гостя. Ещё одна особенность: в регионе развивается электросталеплавильное производство. Особенность этого потребителя электроэнергии такова, что во время плавки в электропечи (плавка продолжается час) потребление электроэнергии равно потреблению десятью – тридцатью тысячами квартир. А потом выпуск стали и завалка. Потребление электроэнергии нулевое. Нет, регион конечно в единой энергосети, но в Москве, когда жарко, тоже кондиционеры включают. Поэтому качество электроэнергии здесь никаким ГОСТам не соответствует: то 170 вольт (часто), то 240 (изредка). По себе знаю, поскольку здесь живу. Хорошо бы здесь энергетикам иметь источник энергии, который в течение нескольких секунд в работу привести можно, и также быстро вывести и без потерь, и чтоб работал сколько нужно. Главное — с приходом воздуха Сахары… Можно даже не источник, а хороший аккумулятор…

В Германии, кстати, давным-давно построена пневмоаккумулирующая электростанция. Но предназначена она только для суточного аккумулирования энергии, а не сезонного. Видимо и поэтому эффективность не высока и развития такой вид аккумулирования не получил. А у нас будет не совсем пневмо и не только суточного…

А вообще регион по электроэнергии дефицитный, а станет ещё дефицитней через некоторое время по известным причинам. Если не вводить новых энергетических мощностей. И электрогенерацию надо планировать под приход воздуха Сахары. А это означает некоторую избыточность мощностей в любое другое время. Что для дальнейших рассуждений важно.

В Донецкой области Украины уже пошли по пути применения ветроэлектрогенерации. В районе Новоазовска работает штук пять новых больших ветряков.

Поговорим об энергии ветра и её извлечении.

На планете Земля потенциал энергии ветра в девять раз превосходит потенциал гидроэнергии. Однако из книги в книгу, из статьи в статью, из научной конференции в научную конференцию специалисты по ВИЭ (возобновляемым источникам энергии) говорят о применении ВЭУ (ветроэнергетических установок) одно и то же. И справедливо говорят.

— Таки да. Потенциал энергии ветра велик. Но электроснабжение требует стабильности, а ветер то дует, то не дует, и когда дует – дует с разной силой. Если всерьёз планировать производство большого количества энергии от ветра, надо планировать и строительство каких-то аккумулирующих устройств. Но тогда стоимость этой электроэнергии возрастёт до неприличия. А она и без аккумулирующих устройств не мала. Потому что ВЭУ — это большие капитальные затраты и большие эксплуатационные расходы. Правда, эксплуатационные расходы сводятся только к частой замене подшипника вала, на котором сидят лопасти. Потому что лопасти огромные, тяжелые и вибрируют. Всё остальное в ветряке очень долговечно. К отрицательным свойствам ВЭУ следует также отнести большие площади, занимаемые в расчёте на кВт мощности.

— Скажите, а почему лопасти такие огромные?

— Потому, что надо как-то и слабый ветер использовать. Ведь должна же как-то ВЭУ по времени более или менее продолжительно использоваться. Мощность ветродвигателя выражается формулой

P_max=8πD²ρV³/27

Где   D – диаметр ветроколеса,
ρ – плотность воздуха,
V – скорость ветра. [6]

Всё понятно?

— Не всё. Так думаю, что, исходя из свойств ветровой энергии, для её использования надо какую-то специфическую энергетическую потребность поискать, удовлетворению которой также специфические свойства ветроэнергии не вредили бы.

С приходом в Ростовскую область морозов потребность в отоплении помещений зависит не только от температуры воздуха, но и от скорости ветра. И как ни заклеивай, какие стеклопакеты ни ставь, а во время сильного ветра в помещениях холоднее, чем без ветра при той же температуре. Поэтому, если иметь ввиду электрическое отопление помещений, то великолепный возникает альянс между ветровой энергией, с её свойствами, и потребностью в отоплении. Сильные морозы в Ростовскую область, как правило, Сибирский антициклон приносит, а он всегда с сильным ровным ветром.

В формуле мощности ВЭУ обращает на себя одна интересная деталь: мощность пропорциональна плотности воздуха. Плотность газа, определяется формулой

ρ=p/RT

Где   p – давление,
R – универсальная газовая постоянная,
T – абсолютная температура.

Таким образом, чем выше атмосферное давление и чем ниже температура воздуха, тем эффективнее ВЭУ при той же скорости ветра. Сам Бог велел ВЭУ на пути Сибирского антициклона ставить, а полученное электричество для отопления помещений использовать. И тут вот ещё что хорошо: зимой сельхоз работы прекращены. Можно в полях парк мобильных ВЭУ выставлять, не вредя основному использованию площадей. А весной свозить ВЭУ на какое-нибудь неудобье.

Вот, кстати, как выглядело третье за зиму 2009-2010 гг. пришествие антициклона в Ростовскую область

И т.д.

Считается, что ветроэлектрогенерация рентабельна при скорости ветра от 5 м/сек и более.

И, конечно, надо срочно осваивать гидроресурсы Северного Кавказа. Они совсем рядом (по меркам России). И ещё кое-какие энергетические ресурсы Кавказа, неожиданные (об этом позже).

Итак, имея (создав) в Ростовской области

~ вообще некоторый избыток электропроизводящих мощностей и поставок из Северного Кавказа, кроме периодов пиковой жары;

~ небольшое подспорье в виде ВЭУ на время визита Сибирского антициклона;

~ переход на конденсационный цикл при выработке электроэнергии

можем какую-то часть населённых пунктов, непосредственно находящихся возле глубоких шахт, где прекращена добыча угля, перевести на электроотопение с помощью ВРУ.

В отличие от Магаданской области, где упор на немедленный экспорт, главной задачей в Ростовской области становим сохранение продукта работы ВРУ – жидкого воздуха — до наступления жары (с некоторым использованием в пиковых и аварийных ситуациях).

Хранение жидкого воздуха, как очевидно, можно осуществлять в выведенных из эксплуатации подземных выработках. Замораживание водоносных грунтов в практике строительства метрополитенов известно давным-давно http://www.metro.ru/library/stroitelstvo_metropolitenov/. В том числе применяется и криогенное замораживание. Понятно, что если, замораживая, мы лишаем водоносный грунт способности нести воду в нашу подземную выработку, то тем самым мы придаём этому грунту свойство герметичности. Тут уж ни вода оттуда сюда, ни воздух отсюда туда.

Криогенных подземных хранилищ метана много. Есть информация о перспективах использования выведенных из эксплуатации шахт для хранения горючих газов http://h2storage.net/docs/pdf/29/s3/basniev.pdf.

Естественно, что откачка воды из затопленной шахты и её замораживание займут достаточно длительное время. Однако процесс замораживания можно провести почти полностью не с потерей энергии, а с её выработкой (в начале) и, по крайней мере, аккумулированием, на следующем этапе. Возможность здесь такова.

В отличие от строительства метрополитена выемки грунтов нам производить не надо. Поэтому замораживание будет вестись из готовых полостей. В конце горизонтальной (наклонной) выработки затопленной шахты бурим и обсаживаем скважину. На поверхности возле скважины сооружаем ВРУ. Обсаживаем шурф (трудоемко, дорого – не скважина ведь – но окупится). Возле шурфа сооружаем детандер с генератором. По скважине подаём жидкий воздух через насос. На первых порах насосу надо работать серьёзно. В дальнейшем — менее. Если глубина шахты 900 м, в жидкой фазе воздух до дна доходить не будет. Однако будет он поднимать давление в горизонтальной выработке. В это время откачиваем воду. Грунтовые воды не поступают ввиду подпора воздуха. На следующем этапе жидкий воздух достигает горизонтальной выработки. Однако температура в шахтах всегда плюсовая из-за большого притока геотермальной теплоты http://donetsktu.dn.ua/raznoe/martinov.htm (из этого источника видно, что многие шахты уже оборудованы вертикальными вентиляционными скважинами, что облегчает нашу задачу).

Очевидно, что мы получили обычную теплоэнергетическую установку. Сжижаем воздух, поступающий на ВРУ с температурой около минус 10-15 º С, а затем по достижении им температуры, допустим +30 — +40º С. и давления ориентировочно 70-80 атм. (давление столба грунтовых вод) расширяем его в детандере. Отметим, что на этом этапе нужды в нагнетании жидкого воздуха в подземные полости насосом почти нет: такое давление создаётся естественным давлением столба жидкого воздуха. На этом этапе сооружение великолепно исполняет роль суточного, пикового энергоаккумулятора: максимум потребности в отоплении приходится на предутренние часы (будет работать наше предложение – будет и термостат, как в сплит-системе), а максимум электропотребления на вечернее время; между ними провалы. Не забываем об электросталеплавильном производстве с его особенностями.

С течением времени происходит глубокое замораживание горного массива вокруг горизонтальных (наклонных) выработок шахты. По опыту эксплуатации криогенных хранилищ метана – на 10-15 метров. Приток теплоты не прекращается полностью, однако ослабевает до уровня, при котором в выработках накапливается жидкий воздух. Опять-таки по опыту криогенных подземных газохранилищ потери метана за счёт испарения составляют 2—4% в месяц. В нашем случае такие потери жидкого воздуха – не потери. Поскольку нужда в гашении суточных пиков электропотребления не исчезнет никогда.

Теперь давление поднимаем до 100-150 атм. И, продолжая использовать шахту в вышеописанном назначении, накапливаем жидкий воздух. Большая часть его теперь будет использоваться в летний период времени, во время появления здесь непрошеного гостя из Сахары. По достижении этого этапа какая-либо просадка поверхности над шахтой исключается. На этой поверхности можно вести любое капитальное строительство.

Как организовать теплообеспечение-холодообеспечение в населённых пунктах?

Как отмечено выше, потенциал теплоты ВРУ низковат. Было бы глупо тянуть теплофикационные сети на большие расстояния и терять теплоту.

Организуем так. В жилых, административных и производственных помещениях располагаем компрессоры, сжимающие «забортный» воздух до давления 25 атм. Это примерно то давление, которым оперируют современные сплит-системы (это к уровню шума тоже). В то же время это тот уровень, до которого сжимает воздух турбокомпрессор в крупных ВРУ. Полученную теплоту используем для отопления и подогрева воды (о приготовлении пищи подумать можно, но это сложно, дорого и несколько опасно). Сжатый воздух отправляем на ВРУ. Естественно, что, главный турбокомпрессор ВРУ, расположенной на шахте, который всегда является её неотъемлемой, и потребляющей почти всю расходуемую ВРУ энергию, частью, при таком режиме отдыхает. При выходе сжатого воздуха из отапливаемого помещения в трубопровод применяем регенерацию: выходящий в трубопровод воздух отдаёт теплоту всасываемому. В качестве локальной трубопроводной сети иногда можно будет использовать освободившиеся теплофикационные сети и сети природного газа (какие не сильно обветшали). Трубопровод от населённого пункта до ВРУ придётся, естественно, строить. Но расстояние это не большое. Вряд ли кто когда в Донбассе шахтёров от их жилищ до места работы на междугороднем транспорте возил.

В летнее время, с приходом сахарского гостя, воздух из подземного хранилища поступает в турбодетандер, где его давление снижается со 100-150 атм. до 26-27 атм. С получением, естественно, электроэнергии.

С таким давлением (26-27 атм.), по той же сети, по которой этот воздух зимой подавался от жилищ, офисов и производственных помещений на ВРУ, теперь подаётся он от турбодетандера в те же жилища, офисы и производственные помещения, на те же, установленные в них компрессоры. Но компрессоры реверсированы. Теперь они – детандеры. И выполняют две задачи: автономной выработки электроэнергии для жилища, офиса, производственного помещения и кондиционирования. Отличного кондиционирования, о прелестях которого мы уже говорили, рассматривая Сингапур. И всё этого тогда, когда приходит недолгое, но очень неприятное время большой жары и острой нехватки электроэнергии не только в регионе, но во всей единой энергосистеме.

Описанное в предыдущих двух абзацах должно применять и в Сингапуре. С одной дополнительной деталью: давление жидкого воздуха, поступающего из доставленного резервуара нужно насосом поднимать до 150 атм., а уж потом испарять и нагревать. Но это типовой элемент цикла паровой теплоэнергетической установки. Благодаря такому повышению давления рабочего тела в жидкой, а не в газообразной фазе, к.п.д. паровых теплоэнергетических установок выше, чем газовых.

И тут Вы скажете, что хранилище жидкого воздуха сооружено нами как-то уж очень просто. Как бы чего, дескать, не вышло.

А не выйдет ничего. Это ведь не природный газ. Ни взрывоопасности, ни пожароопасности нет. Как сосуд под давлением — не рванёт потому, что давление воздуха уравновешивается давлением столба горного массива. Если трещина образовалась – кратковременное снижение давления до 50 атм. В трещину поступает грунтовая вода и тут же замерзает. Герметичность восстановлена. Да и утечки воздуха если и будут (что маловероятно) — по цене не Бог весть какая потеря.

С природным газом хлопот больше www.snip-info.ru/Pb_08-83-95.htm.

Пожалуй, о природном газе мы с Вами удачно вспомнили. И возможно, что подумали Вы о следующем: а почему бы не манипулировать, как описано и в тех же целях, более ценным продуктом — природным газом?

Изотермические подземные газохранилища строятся и эксплуатируются давно. Но для природного газа сезонность противоположная, совсем плохая для наших целей сезонность: минимум потребления газа — при максимуме температуры в окружающей среде (при нём природный газ затратно сжижают), максимум потребления — при минимуме температуры (теперь он жидкий и чертовски холодный испаряется, а на дворе и так зима). И тут есть одна очень привлекательная возможность. Нам для работы турбодетандера во время визита сахарского гостя всё равно нужна концентрированная теплота. Потребление природного газа закончится не завтра. И сезонность потребления природного газа не изменится. Значит, нужны хранилища природного газа. И не обязательно для газа российского происхождения. Взять туркменский газ и не просто транспортировать в Европу, а хранить его летом и продолжать транспортировку зимой – доходно. Делать хранилища выщелачиванием в соляных пластах – преступление против природы. Это надо немедленно запретить. Не знаю, куда природоохранная общественность смотрит. Я бы и добычу ископаемой поваренной соли запретил. При наших с Вами методах добыча поваренной соли из морской воды (с одновременным, кроме того, получением электроэнергии и пресной воды) – задача для развлечения.

Отслужившие своё шахты в Донбассе расположены довольно плотно. Расстояния между ними, судя по терриконам, часто не более 5 км. И очень заманчиво в одной шахте расположить хранилище жидкого воздуха, а в соседней — хранилище жидкого метана. Подводим трубопровод метана к ВРУ возле хранилища жидкого воздуха. Во время жары подаём воздух из хранилища в турбодетандер. А ВРУ используем для сжижения метана. Её теплотой обеспечиваем работу турбодетандера. А холодом турбодетандера помогаем ВРУ. В этом случае производительность ВРУ на сжижении метана будет огромной. Криогенный трубопровод к соседней шахте (для предварительного замораживания и последующей подачи жидкого метана) придётся построить. Не велика проблема.

В будущем это хранилище жидкого метана для хранения другого газа может понадобиться – водорода.

Но это не всё. Метан в хранилище жидкий и страшно холодный. Зимой мы его обратно, по тому же криогенному трубопроводу все к той же ВРУ. И холод его в работе этой ВРУ, сжижением воздуха занимающейся, используем: будем в теплообменник предварительного охлаждения его подавать. В этом случае производительность ВРУ на сжижении воздуха будет огромна. А метан после достижения температуры окружающей среды (без потребления теплоты из окружающей среды) по тому же трубопроводу, по которому он к ВРУ летом поступал, направляем в магистральную трубу и в Европу.

Использование жидкого природного газа в качестве охладителя в работе ВРУ при сжижении воздуха известно давно и описано в учебниках. Новация здесь в том, чтобы использовать жидкий воздух в качестве охладителя при сжижении метана, убивая и второго зайца – используя теплоту от сжижения метана для испарения жидкого воздуха, поскольку воздуху этому предстоит не только испариться, но послужить рабочим телом теплоэнергетической установки.

Ну, а если не будет у нас с Вами рядом хранилища метана? Откуда теплоту для работы турбодетандера брать? Да хоть от тех же змеевиков, в асфальт автомобильных дорог закатанных. В Донбассе сеть автомобильных дорог густа.

А если и не это? Придется, однако, воду подводить для теплоснабжения турбодетандера. А куда охлаждённую воду? На полив. Из поливных культур самая массовая в этой местности – томаты. Для любой сельхоз культуры есть оптимальный интервал температуры. Температура +32 — +35º C за пределами оптимума (+22 — +25º C) для томатов. На любое отклонение температуры от оптимальной растения отвечают снижением урожая и ухудшением качества плодов. Полив плантации томатов водой с температурой +12º С не только снизит расход воды на эту нужду, но окажет кондиционирующее действие на поля, закрытый грунт, да и на всю местность, что не замедлит сказаться на урожайности. Т.о. мы с Вами сейчас закладываем принципиально новый агротехнический приём: кондиционирование полей и закрытого грунта. Приём сулит большую выгоду и минимальные расходы.