Несмотря на то, что статья по мнению редактора перегружена расчётами, она представляет серьёзный интерес для специалистов ( которым эти расчёты представляются весьма полезными ).
Аннотация
В статье автор рассматривает вариант снабжения пресной водой районов Эйлата и Акабы. Рассмотрен самоокупаемый Комплекс оборудования для получения пресной воды с помощью энергии Солнца и многоступенчатого испарителя. Комплекс оборудования получает воду Красного моря. С помощью Солнца Комплекс производит пресную воду, коммерческую электроэнергию и сухую морскую соль. Рассмотренный комплекс позволят решить застарелую экологическую проблему снабжения водой и электроэнергией этого региона. Нет никаких технических проблем, все технические решения известны.
Существующее положение
Много лет гуманитарии и политики продвигают различные проекты перекачки воды из Красного моря в Мертвое море. Между правительством Израиля и Королевством Иордания 26 февраля 2015 года было подписано соглашение (Проект Red-Dead), в котором Иордания и Израиль совместно создадут трубопровод, соединяющий Красное море с Мертвым морем, опреснительную установку к северу от Акабы и гидроэлектростанцию. Начало функционирования проекта предполагается в 2021 году: «…ежегодно ожидается сбор около 300 миллионов кубических метров воды из Красного моря. Часть из них будут обессолена в опреснительной установке, из которой 30 миллионов кубических метров будут переведены на реку Иордан, 35 миллионов кубических метров в израильские поселения Арава, а остальная часть водного комплекса будет способствовать снижению уровня воды Красного моря и началу стабилизации Мертвого моря. Фаза А проекта оценивается в $1,2 млрд.» [1]
«…В дальнейшем количество планировалось увеличить до 2 млрд. кубометров. В Акабе планировалось построить опреснительные установки с проектной мощностью 100 млн кубометров в год…
…Израиль предложил Иордании альтернативный проект канала, который свяжет Средиземное море с Мертвым, но Амман ответил отказом. Реализация проекта [Red-Dead] должна была начаться уже в этом году [2018], но главные заинтересованные стороны не могут договориться. Расхождения настолько велики, что весной Иордания заявила, что начнет строить канал в одиночку… ».[2]
Краткая энергетическая справка. Перепад высот от Красного моря до перевала составляет 200 м, потеря давления (в 80 км трубопровода до перевала) не менее 16 м. Расход воды через насосы и турбины составит 7.45 м3/с (=(300-65)/365*24*3600). Мощность насосов составит Рн=9.81*7.45*(200+16)/0.87=18 000 кВт. Перепад высот (от перевала до ГЭС на Мертвом море) составит 600 м, потеря давления (в 150 км трубопровода) не менее 30 м. Возможная мощность ГЭС составит Рг=9.81*7.45*(600-30)*0.87=36 000 кВт. Из этих 36 МВт насосы используют 18 МВт, а оставшиеся 18 МВт можно будет использовать для опреснения.
Для производства 65 млн. м3 опресненной воды в год требуется не менее 325 млн. кВтч электроэнергии (=5 кВтч/м3 * 65 млн. м3), т.е. мощность источника энергии должна быть не менее 37 МВт (=325 000 000/365*24=37 000 кВт). Опреснительная установка должна получать недостающую мощность 19 МВт (=37-18) из электросети Иордании.
Особенности вариантов
Вариант для Эйлата
Рассмотрим комплекс оборудования, состоящий из насосов, трубопроводов, солнечных испарительных блоков, солнечных фотоэлектрических панелей и инверторов. Комплекс производит пресную воду, например, 70 млн. кубометров в год для Израиля и Иордании и коммерческую электроэнергию. (По проекту Red-Dead предполагают получать 65 млн. м3 опресненной воды.) Комплекс расположен на юго-западе от Эйлата. Для получения испарительными блоками 70 млн. м3 пресной воды за счет энергии Солнца суммарная площадь испарительных блоков должна быть 8 км2.
На западной стороне залива имеем огромные пустующие гористые территории, не используемые в хозяйственных целях- см. Рис.1. На Рис. 1 часть гористых территорий выделена синим контуром, его площадь 20 км2. Гористая территория 20 км2 вполне достаточна для размещения испарительных блоков суммарной площадью 8 км2.
Рис.1
Комплекс функционирует следующим образом. Насосы качают воду Красного моря в сеть морской воды. Сеть морской воды подключена к каждому испарительному блоку через электроклапана. Испарительные блоки имеют солнечные водяные коллектора и солнечные фотоэлектрические панели. Солнечные фотоэлектрические панели дают энергию для оборудования испарительных блоков, для питания насосов и в электросеть для потребителей. Пресная вода образуется в испарительных блоках с помощью многоступенчатого испарения за счет энергии, накопленной в коллекторах. Пресная вода самотеком поступает в сеть пресной воды для потребителей.
Солнечные многоступенчатые испарительные блоки описаны в патентах и публикациях, например, [3]. В данной статье приводим краткое описание блока. Испарительный блок - см. Рис.2- имеет многоступенчатые испарительные ванны 1 каждая площадью 5 м2, ванны для полного выпаривания 2 общей площадью 30 м2 , солнечные коллектора 3 общей площадью 28 м2 и фотоэлектрические солнечные панели 4 площадью 6 м2. Все устройства размещены на пенопластовой платформе, платформа установлена на грунтовой площадке. Блок занимает территорию 42 м2 (=3*14).
Испарительный блок производит один кубометр конденсата в день и 360 м3 в год, т.е. 8.6 м3/м2*год =8.6 млн. м3/км2*год (=360/0.000042). Из 1-ой тонны морской воды блок производит 750 кг пресной воды. Оборудование для испарения воды потребляет 3 кВтч на кубометр пресной воды. Расход тепловой солнечной энергии составляет 111 кВтч/м3=96 ккал/кг воды.
Рис.2
Насосы, клапана и другое оборудование питаются только от фотоэлектрических панелей. Комплекс полностью автономен: появилось Солнце, появилось напряжение на панелях, инверторы преобразуют напряжение, насосы качают воду, вода в коллекторах под Солнцем нагрелась, пары конденсируются на днищах, конденсат стекает в сеть пресной воды. Солнце зашло, процессы остановились.
Для производства 70 млн. кубометров пресной воды в год в испарительные блоки необходимо подать 93 млн. кубометров морской воды (=70*1000/750). Среднегодовой поток воды составляет 3 м3/с (= 93 000 000/365*24*3600). Испарительные блоки расположены на высотах от 50 до 330 м. Насосные станции поднимают морскую воду в среднем до высоты 190 м (=(50+330)/2). Сеть морской воды должна иметь сечение труб, которое обеспечит потерю напора, например, не более 20 м. Насосы имеют суммарно среднюю мощность 7 МВт (=7000 кВт = 9.81*3*(190+20)/0.87), потребляют энергию 168 000 кВтч в среднем в день (=7000*24) и 61 млн. кВтч в год (=7000*24*365). Насосы питаются от панелей через инверторы, которые имеют КПД =70.95. Панели отдают насосам энергию 65 млн. кВтч в год (=61/0.95).
Оборудование для испарения воды потребляет 3 кВтч на кубометр пресной воды, в год потребная энергия составляет 210 млн. кВтч (=3*70). Суммарное потребление энергии насосами и на испарение составляет 275 млн. кВтч (=65+210).
Среднегодовая производительность солнечных панелей в день составляет 0.935 кВтч/м2 (=5.5кВтч *0.17кВт/м2/ 1кВт/м2), т.е. 0.935 млн. кВтч/км2 в день и 341 млн. кВтч/км2 в год (=0.935*365). [4]
Для производства 70 млн. кубометров пресной воды в год имеем 200 000 испарительных блоков (=70 000 000/360). На каждом блоке установлены солнечные панели площадью, например, 6м2. Общая площадь панелей составляет 1.2 км2 (=6*200 000=1 200 000). Панели суммарно производят в год 409 млн. кВтч электроэнергии (=341*1.2). Энергия, которая не использована насосами и на испарение, составляет 134 млн. кВтч (=409-65-210). Коммерческая энергия, которая поступает потребителям через инверторы, составляет 127 млн. кВтч (=134*0.95). Такую производительность имеет тепловая электростанция мощностью 15 МВт (=127 000 000/365*24).
Стоимость энергии, отданной в электросеть, составляет 45 млн. шекелей в год (=0.3545*127). Среднегодовой тариф для предприятий по опреснению воды в Израиле составляет 0.3545 шекелей/кВтч . [5]
Стоимость 70 млн. кубометров пресной воды составляет 400...600 млн. шекелей в год. Тариф на воду для потребителей составляет 6...9 шекелей за кубометр воды.
Каждый кубометр морской воды Красного моря содержит 41 кг солей. После полного выпаривания в испарительных блоках 93 млн. кубометров воды получаем 4 млн. тонн сухой морской соли (=41*93). Цена 1-ой тонны морской соли составляет на мировом рынке от $10 до $40..100 [6, 7, 8]. Стоимость сухой соли, получаемой в испарительных блоках, составляет не менее 40 миллионов долларов в год. В 2013 году общее мировое производство соли составило 264 миллиона тонн, пять наиболее крупных поставщиков – это Китай (71 миллион), США (40 миллионов), Индия (18 миллионов), Германия (12 миллионов) и Канада (11 миллионов) [7] . Израиль (с 4-мя миллионами) сможет войти в число мировых поставщиков морской соли.
Комплекс оборудования, состоящий из насосов, трубопроводов, солнечных испарительных блоков, солнечных фотоэлектрических панелей и инверторов, производит в год пресную воду стоимостью не менее 400 млн. шекелей, передает в электросеть энергию на 45 млн. шекелей и выдает сухую морскую соль, которая стоит не менее 40 миллионов долларов. Суммарно это составляет $150...200 млн. Стоимость необходимого оборудования такого же порядка.
Средства от продажи пресной воды, морской соли и переданная в электросеть энергия смогут компенсировать затраты на текущее обслуживание оборудования и возмещение стоимости строительства.
Конструкция испарительного блока выполнена из пенопласта и других пластиковых материалов и не содержит никаких металлоконструкций. Металл используют только в клапанах, насосах и в другом оборудовании. Пластиковые трубы морской и пресной воды укладывают по поверхности и в траншеях. Это позволит выполнить работы самым широким фронтом и сократит сроки строительства и стоимость.
Солнечная энергия является прекрасным подарком Природы, но оборудование, строительство дорог и сети трубопроводов, естественно потребуют финансовых вложений.
Рассмотренный вариант Комплекса основан только на испытаниях автора действующих макетов испарительных блоков. Макет солнечного водяного коллектора имел площадь поверхности, облучаемую солнцем, 0.192 м2. Макет многоступенчатого испарителя имел площадь ванн 0.058 м2. R & D must be carried out before real design. After R & D, the characteristics of the full-size evaporation unit should be refined. The above calculations for real design should also be refined taking into account the current standards.
Вариант для Акабы
Рассмотрим комплекс оборудования, состоящий из насосов, трубопроводов, солнечных испарительных блоков, солнечных фотоэлектрических панелей и инверторов. Комплекс производит пресную воду, например, 70 млн. кубометров в год для Иордании и коммерческую электроэнергию (т.к. по проекту Red-Dead предполагают получать 65 млн. м3 опресненной воды). Комплекс расположен на юге от Акабы. Для получения испарительными блоками 70 млн. м3 пресной воды за счет энергии Солнца требуется суммарная площадь испарительных блоков 8 км2.
На восточной стороне залива находятся огромные пустующие гористые территории, не используемые в хозяйственных целях- см. Рис.3. На Рис. 3 часть гористых территорий выделена синим контуром, его площадь 20 км2. Гористая территория 20 км2 вполне достаточна для размещения испарительных блоков суммарной площадью 8 км2.
Рис.3
Комплекс функционирует следующим образом. Насосы качают воду Красного моря в сеть морской воды. Сеть морской воды подключена к каждому испарительному блоку через электроклапана. Испарительные блоки имеют солнечные водяные коллектора и солнечные фотоэлектрические панели. Солнечные фотоэлектрические панели дают энергию для оборудования испарительных блоков, для питания насосов и в электросеть для потребителей. Пресная вода образуется в испарительных блоках с помощью многоступенчатого испарения за счет энергии, накопленной в коллекторах. Пресная вода самотеком поступает в сеть пресной воды для потребителей.
Солнечные многоступенчатые испарительные блоки описаны в патентах и публикациях, например, [3]. В данной статье приводим краткое описание блока. Испарительный блок - см. Рис.2- имеет многоступенчатые испарительные ванны 1 каждая площадью 5 м2, ванны для полного выпаривания 2 общей площадью 30 м2 , солнечные коллектора 3 общей площадью 28 м2 и фотоэлектрические солнечные панели 4 площадью 6 м2. Все устройства размещены на пенопластовой платформе, платформа установлена на грунтовой площадке. Блок занимает территорию 42 м2 (=3*14).
Испарительный блок производит один кубометр конденсата в день и 360 м3 в год, т.е. 8.6 м3/м2*год =8.6 млн. м3/км2*год (=360/0.000042). Из 1-ой тонны морской воды блок производит 750 кг пресной воды. Оборудование для испарения воды потребляет 3 кВтч на кубометр пресной воды. Расход тепловой солнечной энергии составляет 111 кВтч/м3=96 ккал/кг воды.
Насосы, клапана и другое оборудование питаются только от фотоэлектрических панелей. Комплекс полностью автономен: появилось Солнце, появилось напряжение на панелях, инверторы преобразуют напряжение, насосы качают воду, вода в коллекторах под Солнцем нагрелась, пары конденсируются на днищах, конденсат стекает в сеть пресной воды. Солнце зашло, процессы остановились.
Для производства 70 млн. кубометров пресной воды в год в испарительные блоки необходимо подать 93 млн. кубометров морской воды (=70*1000/750). Среднегодовой поток воды составляет 3 м3/с (= 93 000 000/365*24*3600). Испарительные блоки расположены на высотах от 50 до 250 м. Насосы поднимают морскую воду в среднем до высоты 150 м (=(50+250)/2). Сеть морской воды должна иметь сечение труб, которое обеспечит потерю напора, например, не более 20 м. Насосы имеют суммарно среднюю мощность 6 МВт (=6000 кВт = 9.81*3*(150+20)/0.87), потребляют энергию 144 000 кВтч в среднем в день (=6000*24) и 53 млн. кВтч в год (=6000*24*365). Насосы питаются от панелей через инверторы, которые имеют КПД 0.95. Панели отдают насосам энергию 55 млн. кВтч в год (=53/0.95).
Оборудование для испарения воды потребляет 3 кВтч на кубометр пресной воды, в год потребная энергия составляет 210 млн. кВтч (=3*700). Суммарное потребление энергии насосами и на испарение составляет 265 млн. кВтч (=55+210).
Среднегодовая производительность солнечных панелей в день составляет 0.935 кВтч/м2 (=5.5кВтч *0.17кВт/м2/ 1кВт/м2), т.е. 0.935 млн. кВтч/км2 в день и 341 млн. кВтч/км2 в год (=0.935*365). [4]
Для производства 70 млн. кубометров пресной воды в год имеем 200 000 испарительных блоков (=70 000 000/360). На каждом блоке установлены солнечные панели площадью, например, 6м2. Общая площадь панелей составляет 1.2 км2 (=6*200 000=1 200 000). Панели суммарно производят в год 409 млн. кВтч электроэнергии (=341*1.2). Энергия, которая не использована насосами и на испарение, составляет 144 млн. кВтч (=409-55-210). Коммерческая энергия, которая поступает потребителям через инверторы, составляет 137 млн. кВтч (=144*0.95). Такую производительность имеет тепловая электростанция мощностью 15.6 МВт (=137 000 000/365*24).
Стоимость энергии, отданной в электросеть, составляет 49 млн. шекелей в год (=0.3545*137). Среднегодовой тариф для предприятий по опреснению воды в Израиле составляет 0.3545 шекелей/кВтч [5]. Стоимость 70 млн. кубометров пресной воды составляет 400...600 млн. шекелей в год. Тариф на воду для потребителей составляет 6...9 шекелей за кубометр воды.
Каждый кубометр морской воды Красного моря содержит 41 кг солей. После полного выпаривания в испарительных блоках 93 млн. кубометров воды получают 4 млн. тонн сухой морской соли (=41*93). Цена 1-ой тонны морской соли составляет на мировом рынке от $10 до $40..100 [6, 7, 8]. Стоимость сухой соли, получаемой в испарительных блоках, составляет не менее 40 миллионов долларов в год. В 2013 году общее мировое производство соли составило 264 миллиона тонн, пять из поставщиков были Китай (71 миллион), США (40 миллионов), Индия (18 миллионов), Германия (12 миллионов) и Канада (11 миллионов) [7] . Иордания (с 4-мя миллионами) сможет войти в число мировых поставщиков морской соли.
Комплекс оборудования, состоящий из насосов, трубопроводов, солнечных испарительных блоков, солнечных фотоэлектрических панелей и инверторов, производит в год пресную воду стоимостью не менее 400 млн. шекелей, передает в электросеть энергию на 49 млн. шекелей и выдает сухую морскую соль, которая стоит не менее 40 миллионов долларов. Суммарно это составляет $150...200 млн. Стоимость необходимого оборудования такового же порядка.
Средства от продажи пресной воды, морской соли и переданная в электросеть энергия смогут компенсировать затраты на текущее обслуживание оборудования и возмещение стоимости строительства.
Конструкция испарительного блока выполнена из пенопласта и других пластиковых материалов и не содержит никаких металлоконструкций. Металл используют только в клапанах, насосах и в другом оборудовании. Трубы морской и пресной воды укладывают по поверхности и в траншеях. Это позволяет выполнять работы самым широким фронтом и сократит сроки строительства и стоимость.
Солнечная энергия является прекрасным подарком Природы, но оборудование, строительство дорог и сети трубопроводов, естественно потребуют финансовых вложений.
Заключение
1. Строительство Комплексов может быть включено в проект Red-Dead и должно быть вполне приемлемым для Иордании, т.к. Иордания получает пресную воду, электроэнергию и рабочие места через год-два, а не через 5…10 лет.
2. Строительство Комплексов может быть осуществлено в рамках подписанного проекта Red-Dead: Комплекс даст недостающую мощность (15…19 МВт) для работы планируемой опреснительной установки. Т.к. фаза А проекта оценивается в $1,2 млрд., то ничтожной части этой суммы достаточно для проведения НИОКР на пилотных экземплярах испарительных блоков.
3. В рассмотренных Комплексах оборудования нет капитальных сооружений : нет водохранилищ, гидростанций, туннелей, объемных металлоконструкций, бетонных фундаментов. Самым крупным сооружением будет здание для персонала. Это резко сокращает сроки и стоимость строительства.
4. По своей структуре Комплекс позволяет предусмотреть (и в последующем увеличивать) количество испарительных блоков для получения необходимого объема пресной воды и количество солнечных фотопанелей для получения требуемой коммерческой электроэнергии.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. http://www.morc.gov.il/Projects/Pages/TaalatHayamim.aspx
2. https://cursorinfo.co.il/all-news/izrail-i-iordaniya-ne-mogut-dogovoritsya-po-proektu-red-dead/
3. http://israscience.wixsite.com/iiads/publikacii , https://drive.google.com/file/d/0BzQzK8pTyFePNUppLTczVDVLYjNBQnBhdmN4R0ZUempGQlJj/view ,
4. //www.rlocman.ru/review/article.html?di=71520
6. https://www.alibaba.com/showroom/sea-salt-price.html
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Salt#Production
8. https://www.economist.com/business/2015/09/10/a-covenant-of-salt
