Converting hurricane energy into industrial energy

Размещено на http://allbest.ru

Converting hurricane energy into industrial energy

Honcharenko Andrii Mykolayovych

Below, a method for obtaining green hydrogen by placing specially designed surface vessels in the center of the wind activity of sea hurricanes will be justified. Such vessels are also proposed to be used for its transportation and storage.

A medium tropical cyclone is estimated to carry approximately 1.5 terawatts of power by the US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). It is much greater than all the current needs of humankind. Further in the text, attention is drawn to such a large-scale energy environmentally friendly resource.Cyclones are predictable both in time and space. According to statistics, the conditions and the most probable places of their occurrence, further trajectories, the time of existence and the wind strength are known in advance. They are constantly monitored using satellites and radio. These circumstances contribute to the solution of the technical problem of extracting industrial energy from this natural phenomenon.Tropical cyclones usually move in the ocean at speeds up to 25 km/h. Modern ocean ships can accompany them from the beginning to the end of their existence, locating at the places of maximum wind activity.

Advantages of the proposed method of obtaining wind energy compared to the traditional one. The power of wind energy (P in watts) at a known wind speed is calculated using the following formula: P = A x “air density” x “coverage area” x --wind speed”³. Above sea-level, “air density” is approximately 1.2 kg/m³, “wind speed” is the wind speed (m/s), and “coverage area” refers to the researchedarea in m² that is perpendicular to the wind flow. The power of the wind flow is proportional to the wind speed in the third degree. The higher is speed, the sharper and steeper thepower grows. If we compare the power of the wind flow at about 4.5 m/s (wind speed at which most of the wind power plants, hereinafter referred to as WPPsoperate) (Pic. 1) with wind speed in a hurricane of 45 m/s (Fig. 2), it turns out that when the speed changes 10 times, the extracted power will change 1000 times.

Pic. 1. Average wind speed (m/s) at a height of 10 m from the Earth's surface in the region of Western Europe (40°N-58°N, 5°W-15°E). Source: ClimateReanalyzer.org

Pic. 2. Trajectories of tropical cyclones in the Pacific Northwest in 2019

Source: Wikipedia

The production of power from 1000 WPPs of the same type located on land is equivalent to the power of one wind farm located at the maximum of a hurricane.

Where the best place to start operating wind power ships is. Of all the geographic regions of the World Ocean, as will be shown from the tabular data below, the region of the northwestern part of the Pacific Ocean is the most perspective for the development of cyclone energy.

Here there are the longest and most powerful cyclones. Generally, they tend to move along the path from Africa to North America. For example, graphic data of the trajectory of cyclones for 2019 is given below. It was collectedduring a normal, not extreme year.

Hurricane activity in the Atlantic is usually observed from the beginning of June to the end of November; the lifetime of tropical cyclones can be up to three weeks. cyclone hurricane sea green hydrogen energy

Average long-term parameters of tropical cyclones (TCs) in different regions of tropical cyclogenesis (According to averaging data for the period from 1970 to 2009).

Abbreviations used in the table:

PNW- Pacific Northwest;

PNE - Pacific Northeast;

NIO - North Indian Ocean;

AO - Atlantic Ocean;

SAO - South Atlantic Ocean (southern hemisphere);

SIO - South Indian Ocean (southern hemisphere);

SP - South Pacific (southern hemisphere).

Pic. 3. Another diagram

Average monthly and annual number of cyclones by region (for the period 1970-2009)

Technical implementation of the proposal. Placing a serial wind generator on the deck of a ship is not the best option. As a rule, conventional wind turbines, after the wind speed rises to 15m/s, go into self-preservation mode by cutting off power. On the other hand, a spinning propeller on deck would be a constant hazard.

The ship is intended to take the energy to the sail. The underwater propeller will rotate because of the ship movement. This propeller has a dual function - to propel the ship if it needs to be moved and to transmit torque to the generator to convert energy a hurricane wind pushes into the sail into hydrogen.

It is proposed that the ship would receive wind energy on the sail, and already from the motion of the ship an underwater propellerwouldrotate. This propeller would perform a dual function - move the ship, if it is necessary to move it and transfer the rotating torque to the generator to convert energy into hydrogen, when the hurricane wind pushes into the sail.

Pic. 4. Expected layout of a floating wind farm

In fact, the proposed ship is a liquid hydrogen tanker equipped with an electrolyzer, fuel cells, a motor generator, a cryogenic plant, and hydrogen tanks (which will occupy most of the ship's volume).

Now it is necessary to evaluate whether there are currently ready-made constructs.

Hull of a wind power plant ship. The most basic part is the ship itself with tanks for liquid hydrogen. There is already a technical solution based on the Suiso Frontier, the world's first tanker designed to carry liquid hydrogen (LH2 - tanker). Launched in 2020.The ship is designed to transport liquefied hydrogen cooled to -253 degrees Celsius by sea over long distances. It became possible thanks to the new LH2 cargo tank with a volume of 1250 cubic meters, with a double shell, between the inner and outer wall of which a vacuum is maintained.

Technical details:

• length - 116 m, width - 19 m, draft 4.5 m;

• cargo tank capacity - approx. 1250 m3;

• carrying capacity - 75 tons of liquefied hydrogen at a temperature of- 253^оС.

Unlike the Suiso Frontier, the proposed vessel should be designed for longer stays in hurricane-force winds. From here it is necessary to lay increased strength and water resistance in its design. And an additional requirement - the propeller should not be exposed atwave height of 20m. For this purpose, the screw must be located as low as possible, maybe directly on the keel. The keel should have a dual function - this is, firstly, the mentioned fixation of the propeller with its accompanying mechanisms, and secondly, to increase stability and hold the balancing weight. The keel is highly desirable to be able to change its vertical size so that the ship can enter the riverbeds.

Electrolyzer. Sailing is created from the stern in the direction of the wind only by a hull similar in external dimensions to the Suiso Frontier.

Before selecting the electrolizer, it is necessary to evaluate the electrical power provided by the generator of a vessel rotated by a propeller. For clarity of the decisions below, let the vessel be as similar to the aforementioned tanker as possible. If Suiso Frontier isdesigned and periodically overcomes the Sea of Japan (East Sea) with its powerful typhoons, then its design is to some extent suitable for the expected solution. Even if it does not have a special sail. Windage can be created by only a hull when the stern side is in the direction of the wind.

The width of the vessel is 19 m, the height above the water is 26 m, the windage on the stern side is 19 m x 26 m = 498 m².

Summarizing: the wind power of a hurricane with wind speed of 40 m/s (withwind energy concentration of 41,000 W/m^-2 from the formula above) is 498 m²x 41,000 W/m^-2 = 20.4 MW from the stern.

This energy is fed to the electrolyzer. Now we need to select the ready solution of the electrolyzer.

The existing A-series Nel electrolyzers can produce up to 3880m³/h of hydrogen (that's 93120m³or 8380.8kg per day) withpower supply of 2.2MW per unit. 10 electrolyzers are needed toload 20.4MW rationally. In ideal case, they would fill 75ton hydrogen tanks of liquid hydrogen in a day.

Money calculations and ecology. At the moment, the Suiso Frontier tanker is profitably transporting "grey" hydrogen from Australia to Japan at a market price of approximately $1-2 per kg. It does not produce this hydrogen, but only transports it. Its transportation should not cost less than the market price of $1-2 per kg.

Therefore, the profit from transportation cannotbehigher than $150,000. Creation of such hydrogen from Australian brown coal is very harmful to the environment, since 4,000 tons of coal will be needed to produce 75 tons of liquid hydrogen. At the same time, 2,500 tons of carbon dioxide will be produced.

The proposed technical solution can also deliver hydrogen to different parts of the world, but hydrogen is expensive. The so-called "green" hydrogencosts at about $6 - 8 per kg on the market. The profit for the ship in this case is much higher, since hydrogen is not bought anywhere, but is produced on the ship. Ecology does not suffer during ecoproduction.

After a day in a storm, the obtained volume of “green” hydrogen would cost $450,000 - $600,000. If it was necessary to increase the volume of produced hydrogen, we would have to increase the volume of the vessel and build ships in the required quantity. Serialization reduces the cost of building a single unit.

The Suiso Frontier tanker is a relatively small vessel. There are ships for transporting liquefied gas ten times larger in volume. Presumably, for the stage of operational experience developing, a vessel with the dimensions of the Suiso Frontier is still suitable. Perhaps this size is optimal, since its owner plans to put into operation 80 ships of the same type.

Maneuvering a floating wind farm in the maximum wind energy of a cyclone (hurricane, storm, typhoon). To maximize the effect of hydrogen production, the wind farm vessel must be constantly maneuvered into the outer ring of the eye of the hurricane, where the fastest wind is located. The direction of the movement must be downwind and in the circle.

It is a great physical challenge for the ship's crew to hang out in the waves in a hurricane for long periods of time. The way out of this situation may be positioning the crew on another ship (command ship) that is in the "eye" of the hurricane and performs remote control of the hydrogen extraction vessels. It is calm and comfortable inside the eye of the hurricane.

Water for electrolysis. The supposed ship (hydrogen production plant) inside the hurricane will receive a constant powerful downpour (several centimeters per hour, Wikipedia). This is water of low mineralization which is suitable for electrolysis after a little preparation.

As Herib Blanco notes in his article on one portal, electrolysis requires a minimum of 9 kg of water per kilogram of hydrogen, or if you consider the demineralization process (and only demineralized water is suitable for electrolysis), it would be from 18 to 24 kg of water per 1 kg of finished fuel.

19m x 116m = 2204m²,

From here we calculate the required time for filling this surface

675 / (2204m² x few centimeters per hour of rainfall x 0.01) = time per hour

Let a few centimeters per hour of rain flow be, for example, 3cm/h then 675/66,12=10,2 h, 1800/ 66,12=27,2 hours.

Total for the time from 10 to 30 hours, the tanker will receive the necessary amount of rainwater on the horizontal surface.

At the same time, it should be considered that the raindrops will move almost parallel to the horizontal surface. (For a drop with a diameter of 100 micrometers, the limiting velocity on the vertical component downward is 30 centimeters per second, on the horizontal, tens of meters per second). The horizontal rain flow will be two times more powerful than vertical.

On the vertical areas of the ship's hull, the horizontal rain flow will also be two times more powerful than vertical, which can be used to intensify rainwater collection. As a device for collecting water, you can use the alleged sails. As a conclusion, it can be argued that the rain falling on the ship's hull is enough for electrolysis.

Bibliography

1. Про внесення змін до Податкового кодексу України щодо дії норм на період дії воєнного стану: Закон України від 15.03.2022 №2120-IX. URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2120-20#Text.

2. Закон України Про внесення змін до Цивільного кодексу України щодо вдосконалення порядку відкриття та оформлення спадщини від 08.11.2023р. № 3449-IX.URL:https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/3450-20#Text.

3. Постанова КМУ від 05.03.2022 р.№ 206.URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/206-2022-%D0%BF#Text.

4. Цивільний кодекс України від 16 січня 2003 року № 435-IV.URL: https://zakon.rada.gov.ua /laws/show/435-15#Text.

Преобразование энергии ураганов в промышленную энергию

Ниже будет обоснован способ получения зеленого водорода путем размещения специально спроектированных надводных судов в центре ветровой активности морских ураганов. Такие суда также предлагается использовать для его транспортировки и хранения.

Средний тропический циклон, по оценкам Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA), несет примерно 1,5 тераватта мощности. Это намного больше всех современных потребностей человечества. Далее в тексте обращается внимание на столь масштабный энергетический экологически чистый ресурс. Циклоны предсказуемы как во времени, так и в пространстве. Согласно статистике, заранее известны условия и наиболее вероятные места их возникновения, дальнейшие траектории, время существования и сила ветра. За ними ведется постоянный мониторинг с помощью спутников и радио. Эти обстоятельства способствуют решению технической проблемы извлечения промышленной энергии из этого природного явления. Тропические циклоны обычно перемещаются в океане со скоростью до 25 км/ч. Современные океанские суда могут сопровождать их от начала и до конца их существования, располагаясь в местах максимальной ветровой активности.

Преимущества предлагаемого способа получения ветровой энергии по сравнению с традиционным. Мощность ветровой энергии (P в ваттах) при известной скорости ветра рассчитывается по следующей формуле: P = A x «плотность воздуха» x «площадь покрытия» x --скорость ветра»3. Над уровнем моря «плотность воздуха» составляет примерно 1,2 кг/м3, «скорость ветра» -- скорость ветра (м/с), а «площадь покрытия» относится к исследуемой площади в м2, перпендикулярной ветровому потоку. Мощность ветрового потока пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Чем выше скорость, тем резче и круче растет мощность. Если сравнить мощность ветрового потока при скорости ветра около 4,5 м/с (скорость ветра, при которой работает большинство ветровых электростанций, далее по тексту ВЭУ) (рис. 1) со скоростью ветра в урагане 45 м/с (рис. 2), то окажется, что при изменении скорости в 10 раз извлекаемая мощность изменится в 1000 раз.

Где лучше всего начать эксплуатацию ветроэнергетических судов. Из всех географических регионов Мирового океана, как будет показано из табличных данных ниже, наиболее перспективным для развития циклонной энергетики является регион северо-западной части Тихого океана. Здесь находятся самые протяженные и мощные циклоны. В основном они имеют тенденцию перемещаться по пути от Африки до Северной Америки. Для примера ниже приведены графические данные траектории циклонов за 2019 год. Они были собраны в обычный, не экстремальный год.

Техническая реализация предложения. Размещение серийного ветрогенератора на палубе корабля -- не лучший вариант. Как правило, обычные ветровые турбины после увеличения скорости ветра до 15 м/с переходят в режим самосохранения, отключая питание. С другой стороны, вращающийся винт на палубе будет представлять постоянную опасность.

Корабль призван отводить энергию на парус. Подводный винт будет вращаться из-за движения корабля. Этот винт имеет двойную функцию -- приводить в движение корабль, если его нужно переместить, и передавать крутящий момент на генератор для преобразования энергии, которую ураганный ветер толкает в парус, в водород.

Предлагается, что корабль будет получать энергию ветра на парус, а уже от движения корабля будет вращаться подводный винт. Этот винт будет выполнять двойную функцию -- перемещать корабль, если его нужно переместить, и передавать крутящий момент на генератор для преобразования энергии в водород, когда ураганный ветер толкает в парус.

По сути, предлагаемое судно представляет собой танкер для перевозки жидкого водорода, оснащенный электролизером, топливными элементами, мотор-генератором, криогенной установкой и водородными баками (которые займут большую часть объема судна). Теперь необходимо оценить, есть ли на данный момент готовые конструкции.

Корпус судна с ветроэнергетической установкой. Самая основная часть -- это само судно с баками для жидкого водорода. Уже есть техническое решение на базе Suiso Frontier -- первого в мире танкера, предназначенного для перевозки жидкого водорода (LH2 -- танкер). Спущен на воду в 2020 году. Судно предназначено для перевозки по морю на большие расстояния сжиженного водорода, охлажденного до -253 градусов по Цельсию. Это стало возможным благодаря новому грузовому танку LH2 объемом 1250 куб. м, с двойной оболочкой, между внутренней и внешней стенкой которого поддерживается вакуум.

Технические характеристики:

* длина -- 116 м, ширина -- 19 м, осадка 4,5 м;

* емкость грузового танка -- ок. 1250 м3;

* грузоподъемность - 75 тонн сжиженного водорода при температуре -253оС.

В отличие от Suiso Frontier, предлагаемое судно должно быть рассчитано на более длительную стоянку при ураганных ветрах. Отсюда в его конструкцию необходимо заложить повышенную прочность и водостойкость. И дополнительное требование - винт не должен обнажаться при высоте волны 20м. Для этого винт должен быть расположен как можно ниже, может быть, прямо на киле. Киль должен иметь двойную функцию - это, во-первых, упомянутая фиксация винта с сопутствующими ему механизмами, а во-вторых, повышение остойчивости и удержание балансировочного груза. Крайне желательно, чтобы киль мог изменять свой вертикальный размер, чтобы судно могло заходить в русла рек.

Электролизер. Парусность создается с кормы по направлению ветра только корпусом, аналогичным по внешним размерам Suiso Frontier.

Перед выбором электролизера необходимо оценить электрическую мощность, вырабатываемую генератором судна, вращаемого винтом. Для ясности нижеприведенных решений пусть судно будет максимально похоже на вышеупомянутый танкер. Если Suiso Frontier спроектирован и периодически преодолевает Японское море (Восточное море) с его мощными тайфунами, то его конструкция в какой-то степени подходит для ожидаемого решения. Даже если у него нет специального паруса. Парусность может создаваться только корпусом, когда кормовой борт находится по направлению ветра.

Ширина судна 19 м, высота над водой 26 м, парусность кормового борта 19 м х 26 м = 498 м2.

Подводя итог: мощность ветра урагана при скорости ветра 40 м/с (при концентрации энергии ветра 41 000 Вт/м-2 из формулы выше) составляет 498 м2x 41 000 Вт/м-2 = 20,4 МВт с кормы.

Эта энергия подается в электролизер. Теперь нам нужно выбрать готовое решение электролизера.

Существующие электролизеры Nel серии А могут производить до 3880 м3/ч водорода (это 93120 м3 или 8380,8 кг в день) при мощности 2,2 МВт на единицу. Для рациональной загрузки 20,4 МВт необходимо 10 электролизеров. В идеальном случае они заполнили бы 75-тонные водородные баки жидким водородом за день.

На данный момент танкер Suiso Frontier выгодно перевозит «серый» водород из Австралии в Японию по рыночной цене около $1-2 за кг. Он не производит этот водород, а только перевозит его. Его транспортировка не должна стоить дешевле рыночной цены $1-2 за кг. Поэтому прибыль от транспортировки не может быть выше $150 000. Создание такого водорода из австралийского бурого угля очень вредно для окружающей среды, так как для производства 75 тонн жидкого водорода понадобится 4000 тонн угля. При этом будет произведено 2500 тонн углекислого газа.

Предлагаемое техническое решение также может доставлять водород в разные точки мира, но водород стоит дорого. Так называемый «зеленый» водород стоит на рынке около $6-8 за кг. Выгода для судна в этом случае значительно выше, так как водород нигде не покупается, а производится на судне. Экология при экопроизводстве не страдает.

После суток шторма полученный объем «зеленого» водорода обошелся бы в 450 000-600 000 долларов. Если бы потребовалось увеличить объем вырабатываемого водорода, пришлось бы увеличить объем судна и строить суда в необходимом количестве. Сериализация снижает стоимость строительства единичной единицы.

Танкировщик Suiso Frontier -- сравнительно небольшое судно. Существуют суда для перевозки сжиженного газа в десять раз большего объема. Предположительно, для этапа наработки опыта эксплуатации еще подойдет судно с размерами Suiso Frontier. Возможно, этот размер оптимален, так как его владелец планирует ввести в эксплуатацию 80 судов одного типа.

Маневрирование плавучей ветроэлектростанции в условиях максимальной ветроэнергетики циклона (урагана, шторма, тайфуна). Для максимального эффекта от производства водорода судно ветроэлектростанции необходимо постоянно маневрировать во внешнее кольцо глаза урагана, где находится самый быстрый ветер. Направление движения должно быть по ветру и по окружности.

Для экипажа судна длительное время находиться в волнах урагана -- это большой физический вызов. Выходом из этой ситуации может стать размещение экипажа на другом судне (корабль управления), которое находится в «глазу» урагана и осуществляет дистанционное управление судами по добыче водорода. Внутри глаза урагана спокойно и комфортно.

Вода для электролиза. Предполагаемый корабль (завод по производству водорода) внутри урагана будет получать постоянный мощный ливень (несколько сантиметров в час, Википедия). Это вода низкой минерализации, которая пригодна для электролиза после небольшой подготовки.

Как отмечает Хериб Бланко в своей статье на одном портале, для электролиза требуется минимум 9 кг воды на килограмм водорода, или, если рассматривать процесс деминерализации (а для электролиза подходит только деминерализованная вода), то это будет от 18 до 24 кг воды на 1 кг готового топлива.

19м x 116м = 2204м2,

Отсюда вычисляем необходимое время для заполнения этой поверхности

675 / (2204м2 x несколько сантиметров в час осадков x 0,01) = время в час

Пусть несколько сантиметров в час потока дождя составят, например, 3см/ч, тогда 675/66,12=10,2 ч, 1800/66,12=27,2 часов.

Итого за время от 10 до 30 часов автоцистерна получит необходимое количество дождевой воды на горизонтальную поверхность.

При этом следует учитывать, что капли дождя будут двигаться практически параллельно горизонтальной поверхности. (Для капли диаметром 100 микрометров предельная скорость по вертикальной составляющей вниз составляет 30 сантиметров в секунду, по горизонтальной -- десятки метров в секунду). Горизонтальный поток дождя будет в два раза мощнее вертикального.

На вертикальных участках корпуса судна горизонтальный поток дождя также будет в два раза мощнее вертикального, что можно использовать для интенсификации сбора дождевой воды. В качестве устройства для сбора воды можно использовать предполагаемые паруса. В качестве вывода можно утверждать, что дождя, падающего на корпус судна, достаточно для электролиза.

Размещено на Allbest.ru