Kann eine offene Kanalschleife positive Nettoleistung über eine Entfernung effektiv übertragen?

Sowohl die Wände von Aquädukten als auch von Stromleitungen üben Widerstand aus

... die eigentliche Frage sollte also lauten, ob dies effizienter ist als die Verwendung einer Hochspannungsleitung.

Ihr primäres Konkurrenzprodukt zu Ihrem Kanalsystem wären Hochspannungs-Gleichstrom-Stromleitungen (HGÜ), die normalerweise für die Übertragung von Strom über sehr große Entfernungen verwendet werden. Das längste und möglicherweise effizienteste HGÜ-System der Welt ist ein 1,1-MV-, 12-GW-Leitungssystem in China, das ~ 3300 km lang ist. Ich kann keine Angaben zur Zusammensetzung des Drahtes selbst finden, aber wenn ich davon ausgehen kann, dass er wirklich verdammt groß ist, aber aus etwas wirtschaftlich genug besteht, um sehr lange zu machen. Es handelt sich also wahrscheinlich um eine Reihe paralleler Kupferdrähte mit einem Gesamtquerschnitt von etwa 10.000 kcmil (50,67 cm ^ 2), was zu einem Leistungsabfall von insgesamt 22,5 % durch Reibung führt. ( https://www.calculator.net/voltage-drop-calculator.html )

Lassen Sie uns nun versuchen, diese Entfernung, Effizienz und Durchsatzleistung mit einem Aquädukt zu überbrücken. Der Hoover-Staudamm erzeugt 1,1 GW Strom, sodass ein gleichwertiges System einen Wasserfluss unterstützen muss, der 10,8-mal so hoch ist wie der des Hover-Staudamms. Dies bedeutet, dass ein äquivalentes Wasserkraftsystem einen Wasserfluss von etwa 36.087 m ^ 3 / Sek. Wasser benötigt, das über eine durchschnittliche Entfernung von 160 m fällt, um die Generatoren zu drehen.

Um etwa den gleichen Widerstand aus einem Aquädukt herauszuholen, benötigen Sie ein Rohr mit einem Radius von ~ 77 m. Gemäß Mannings Gleichung ( https://www.lmnoeng.com/manning.php ) führt dies zu einem Gesamtabfall von etwa 18,7 m über 3300 km in beide Richtungen. Dies bedeutet, dass Ihr Aquädukt an seinem höchsten Punkt eine Gesamthöhe von etwa 197,4 m benötigen würde, es würde auf 178,7 m abfallen, wenn es Ihre Stadt erreicht, auf 18,7 m abfallen, wo es Ihre Turbinen antreibt, und dann zur Quelle zurückkehren, um zurückgehoben zu werden wieder hoch und gibt Ihnen ~ 23% Kraftverlust.

Es ist nicht so effizient wie die Verwendung von Stromleitungen

Für den Anfang sind Rohre viel größere Bauprojekte. Der erforderliche Querschnitt beträgt etwa das 37.000-fache des Kabels, und es muss auch im Vergleich zu HGÜ-Leitungen auf enorme Höhen gebaut werden, um wirklich lange Entfernungen zu überbrücken. Wenn Ihre Welt wirklich feindselig ist, wären vergrabene Leitungen viel sicherer als eine oberirdische Megastruktur. Zweitens erfordert es ein riesiges Kraftwerk in Ihrer Stadt, um dieses Wasser in Strom umzuwandeln, was den Punkt der Stromerzeugung an anderer Stelle zunichte macht. Im Gegensatz dazu benötigen HGÜ-Leitungen nur eine einfache Transformatorstation, um ihren Hochspannungs-Gleichstrom in nutzbaren Niederspannungs-Wechselstrom umzuwandeln.

All dies gesagt, Sie brauchen vielleicht keine 12 GW Leistung, und 3300 km können viel weiter sein, als Sie eigentlich brauchen, aber Sie sollten bedenken, dass je kleiner Sie Ihr Rohr machen, desto steiler muss es sein; Wenn Sie also kleiner werden, wird diese Art von System tatsächlich zunehmend weniger effizient.

Wie für die Verwendung von Quecksilber

Dies wäre weniger effizient als Wasser. Bei einem System wie diesem möchten Sie Widerstandsquellen minimieren; viskose Flüssigkeiten werden also weitaus weniger effizient sein. Wenn Sie es effizienter machen möchten, können Sie eine Art Alkohol oder vielleicht sogar flüssiges Propan verwenden: https://www.engineeringtoolbox.com/absolute-viscosity-liquids-d_1259.html

Aquädukte!

Die Antike kann viele überraschende technische Meisterleistungen aufweisen. Aquädukte sind eine dieser Meisterleistungen der Ingenieurskunst. Schau dir dieses an:

https://en.wikipedia.org/wiki/Zaghouan_Aqueduct

Es fällt durchschnittlich um 0,3% seiner Gesamtlänge über 90 km (56 Meilen) ab. Diese kleine Steigung reicht für einen kontinuierlichen Wasserfluss. Alles durch sorgfältige Messungen in einer Zeit, in der Laser, GPS und andere Ortungs-/Pegelwerkzeuge jahrhundertelang nicht im Gedächtnis waren. Es bewegte zwischen 200 und 370 Liter Wasser pro Sekunde. Obwohl nicht vergleichbar mit moderner Stromerzeugung, ist es dennoch beeindruckend.

Nehmen wir an, Sie bauen ein solches Aquädukt. Sie sehen bereits am Beispiel, dass Sie mit natürlichen Ressourcen einfach in das Aquädukt einfahren und in der Stadt ankommen können! Zusätzlich zu Süßwasser haben Sie Wasserfluss, der Energie entspricht, wenn Sie Dynamos mit Wasserrädern ins Wasser stellen.

Damit dies funktioniert, benötigen Sie zwei Aquädukte. Das Wasser fällt ein wenig, erzeugen Sie Ihre Energie und lassen Sie es dann vom zweiten Aquädukt zurückbewegen, ohne das Wasser anzuheben. Beispielsweise legt das Wasser einen Kilometer zurück und fällt 1 m. Es kommt in die Stadt, die Strömung und ein 1-Meter-Gefälle wird verwendet, um Strom zu erzeugen, und dann wird es mit einem weiteren Meter Gefälle einen Kilometer zurück zu den Kraftwerken geschickt. Das Wasser ist jetzt 3 m niedriger und muss von den Kraftwerken auf diese Höhe gepumpt werden, um zurück in die Stadt zu fließen.

Um genug Energie zu bekommen, können Sie das Aquädukt verbreitern und den Abfall verschärfen sowie die Anzahl der Aquädukte erhöhen. Wenn Sie die Flüssigkeit mit geringerer Reibung schwerer machen, hilft dies, wie Sie vorschlagen. Wie viel liegt jedoch außerhalb meiner Reichweite.

Probleme

Die Probleme bestehen darin, dass ein Stromnetz wahrscheinlich effizienter und weniger wartungsintensiv ist. Auch ein passives Aquädukt bedarf regelmäßiger Wartung. Mehr als ein paar Strommasten.

Ist das ein echtes Problem? Nicht für mich. Der von Ihnen beschriebene Energietransport gefällt mir sehr gut. Kühlen Sie uns manchmal genug ab. Sie können sich immer einige Erklärungen dafür vorstellen. Eine Kupferknappheit und Beton ist besser in der Lage, die feindliche Umgebung zu überleben, indem er beispielsweise keine aktiven Kräfte anzieht.

Ich war bereit, diese Idee lächerlich zu nennen. Dann habe ich recherchiert.

Moderne Wasserturbinen arbeiten mit einem mechanischen Wirkungsgrad von bis zu 90 %. Elektrische Generatoren können einen Wirkungsgrad von 90 % oder mehr haben. Somit könnten mehr als 80 % der an den Generatorstandort gelieferten Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Danach ist es das Problem des lokalen Netzes.

Damit die Wasserströmung entlang des Kanals nicht viel Energie verliert, muss die Strömungsgeschwindigkeit relativ gering sein. Das bedeutet, dass Sie eine Querschnittsfläche des Kanals wünschen, die viel größer ist als die Durchflussfläche durch Ihre Turbinen. Breite mal Tiefe des Wassers im Kanal muss also viel größer sein als die Fläche der Strömung durch die Turbinen.

Sie würden zwei Kanäle benötigen. Einer in größerer Höhe bringt das Wasser zu den Generatoren. Eine Sekunde in niedrigerer Höhe bringt es zurück. Wenn Sie unterwegs keine zusätzliche Kraft haben, darf sich das Niveau des Kanalbodens über seine Länge nicht stark ändern oder nur ein wenig abfallen. Dann heben Sie an Ihrer Energiequelle das Wasser aus dem unteren Kanal in den oberen Kanal. Sehr große Rennmäuse oder was auch immer. Und Sie würden eine Quelle für Zusatzwasser benötigen, um Verdunstung, Leckagen, Wasserentnahmen für verschiedene Zwecke usw. zu berücksichtigen.

Die Menge an Energie, die Sie pro kg Wasser durch den Kreislauf erhalten, hängt davon ab, wie viel Höhenunterschied Sie akzeptieren können. Und das bestimmt, wie viel tiefer der Rückkanal sein muss. Beachten Sie, dass dies durchaus eine riesige Ingenieursarbeit sein kann.

Betrachten Sie eine Strömungsfläche von 1 Quadratmeter in der Turbine. Und angenommen, Sie brauchen 100 m^2 in Ihrem Kanal. Sagen wir 20 Meter breit und 5 Meter tief. Wenn es ein Gefälle von 10 Metern ist, um Ihre Energie zu erzeugen, bedeutet das, dass Sie einen Kanal graben müssen, der 10 Meter tiefer als Ihr Versorgungskanal und 20 Meter breit ist. Für die gesamte Rücklaufhälfte der Schaltung. Und er kann beim Rückflug keine Höhe gewinnen. Er muss auf der ganzen Strecke 10 Meter unter dem Versorgungskanal liegen. Das ist eine Menge Graben.

Obwohl nicht unmöglich. Diese Konstruktion im kanadischen Winnipeg zeigt, dass es möglich ist. Und es ist möglich, ziemlich große Durchflussraten aufrechtzuerhalten.

Es ist also möglich.

NEIN. ZUMINDEST NICHT WIE SIE DENKEN

Fließende Flüssigkeiten können sicherlich eine Stadt antreiben. Aber Sie können nicht die gleichen Flüssigkeiten in einem geschlossenen Kreislauf verwenden . Sie müssen die Flüssigkeit wieder nach oben pumpen, indem Sie mindestens die gleiche Energiemenge aufwenden, die die Strömung erzeugt hat. Sicherlich können Sie je nach Durchfluss mehrere Paddelturbinen stromabwärts verwenden, aber wenn Sie möchten, dass die Flüssigkeit dorthin fließt, wo sie begonnen hat (eine Schleife), erhalten Sie in einem „idealen“ Szenario eine Netto-Null-Leistung.

Wetterereignisse wie Schnee und Regen sind die einzige sinnvolle „netto positive Energie“, um Wasser dorthin zurückzubringen, wo es entstanden ist. Selbst das ist nicht wirklich netto positiv und wird durch das Sternenlicht ermöglicht, das den Planeten erreicht. Aber das Ausmaß ist zu groß, als dass Menschen die Auswirkungen spüren könnten.

Ich denke, die Idee ist verrückt, aber wenn sie umgesetzt würde, würde sie eine schöne Szenerie abgeben. Hier ist der Grund:

Wasser fließt nach unten. Ich denke, bei tatsächlich existierenden Flüssen, alles von ein paar % bis zu 0,1 % (ein Gefälle von einigen zehn Metern bis zu einem Meer pro km Fluss). Ihre Schleife ist also im Wesentlichen eine Spirale mit einer Hebestation an einem Punkt.

Nehmen wir an, ein geringes Gefälle von 0,5 %, eine Entfernung von 40 km, und wir wollen dem Wasser 5 m Nutzarbeit entziehen (oder besser gesagt 5 m x Dichte x g x Volumenstrom (m³/s) = Leistung der Station). Wir haben also 200 m Höhenunterschied in einem Kanal, dann 5 m im Kraftwerk, die anderen 200 m auf dem Rückweg - die Hebestation muss das Wasser 405 m anheben. Das im Kraftwerk ankommende Wasser hat etwas kinetische Energie, sodass Sie wahrscheinlich mehr als nur das Energieäquivalent von 5 m extrahieren könnten, aber ich müsste mir überlegen, wie das geht.

Ich denke, im Kraftwerk werden Sie kein Schaufelrad verwenden, sondern eine Schneckenpumpe oder eine Axialpumpe (beide sind gute, effiziente Systeme für Situationen mit hohem Durchfluss und niedriger Förderhöhe). An der Empfangsstation würde ich einen Damm und eine kleine Turbine bauen. Je steiler die Steigung, desto schneller die Strömung.

Wenn Sie Low-Tech wollen - sagen wir Mittelalter oder Frühe Neuzeit, bleiben Sie bei den Schneckenpumpen oder Becherwerken für die Hebestation, Schaufelrad für die Talstation.

Ein Vorteil eines Open-Loop-Systems ist, dass Sie Energie in einem Teil des Kreislaufs speichern können. Aber das wäre wahrscheinlich effizienter mit einem System aus geschlossenen Rohren und einem großen Reservoir.

Ein weiterer Vorteil eines Open-Loop-Systems besteht darin, dass langsame Lastkähne entlang der Schleife fahren können (sie müssen an beiden Endpunkten über Kräne oder ähnliches angehoben werden).