Об одной немецкой работе по АэроГЭС
Давным-давно, в декабре 2016 года кто-то прислал мне работу одного немецкого студента (Kilian Heilgemair), которая называлась «Theoretische Ertragsberechnung von fliegenden Nebelfängern anhand von Satellitendaten des MERRA-Projekts» ("Теоретический расчет урожайности летающих туманоуловителей по спутниковым данным проекта MERRA").
Там были буквально процитированы страницы с моего сайта (например, стр.5), но не было ни одного упоминания ни обо мне, ни о сайте, ни о собственно АэроГЭС. Впрочем, мне это было безразлично, хотя и странно.
Тем не менее работа была написана довольно интересно. Был использован метод теоретического расчета количества влаги в воздухе (абсолютная влажность) на основе формулы Магнуса и данных по относительной влажности, а также расчет высоты по бараметрической формуле и данных по давлению на данном уровне. Правда в формулах на стр. 8 были напутаны размерности: сначала абсолютная влажность была выражена в г/м3 вместо кг/м3, а потом выход воды из сети был выражен в м3/с вместо кг/с.
На самом деле эти расчеты были излишни, так как проект MERRA и MERRA-2 уже содержат данные по абсолютной влажности и высоте (QV, H), которые можно получить напрямую и пересчитать на основе вот этой методики.
Спецификация проекта MERRA для использованного набора данных AI3CPASM
В расчетах эффективности сети практически была повторена известная работа ученых из МИТ, сравнительный анализ которой я также использовал в своей статье по оптимизации сети. Кроме того, там были использованы данные со спутников NASA Aqua и Terra для получения осредненного размера капель воды, хотя этот параметр практически мало влияет на расчет эффективности, но, к моему удивлению, не были использованы данные по водности облаков.
Итак, я решил перепроверить эти расчеты сразу по двум направлениям: по наблюдаемым данным водности облаков (LWC) со спутника NASA CloudSat и по расчетным данным проекта MERRA-2. Для сравнения я взял один из примеров в этой работе, а именно расчеты для Лиссабона в 2014 году.
Спутник CloudSat проходил над Лиссабоном (в пределах 1 градуса широты и долготы) за 2014 год 26 раз и фиксировал данные по LWC, которые представлены в следующей таблице.
Данные CloudSat (Лиссабон, 2014) по водности облаков, потоку капель и удельной гидроэнергии по высотам
Данные по водности получены непосредственно со спутника, однако поток капель и удельная гидроэнергия рассчитывалась с учетом скорости ветра, позаимствованной из проекта MERRA-2, данные которого представлены в таблице ниже.
Данные MERRA-2 (Лиссабон, 2014) по водности облаков, потоку капель и удельной гидроэнергии по высотам
Дальше начинаются вопросы, которые я уже пытался обозначить в прошлой публикации о парадоксе осадков. Автор работы, описывая на стр.25 программу и методику расчетов, утверждает, что расчет LWC идет по значениям относительной влажности (RH) и температуры (T), т.е. по формуле Магнуса (стр.7-8). Следуя за ним, я пересчитываю абсолютную влажность (SH) как напрямую по данным QV так и по его методике (через RH и T) и получаю практически полное совпадение (ошибка не превышает 1%).
Сравнение расчетов абсолютной влажности (SH) по QV и RH,T
Значения абсолютной влажности SH (каким бы способом они не были посчитаны) примерно согласуются с количеством осадков. Например, принимая среднее время жизни влаги в атмосфере равным 10 суткам, мы получаем годовое количество осадков равным 807.85 литров на м2 (что равно высоте в мм, так как каждый литр равен 1 мм * м2), тогда как статистика для Лиссабона дает порядка [587] мм.
Однако это значение «avg LWC SH» (увы!) на 2-3 порядка больше реального «avg LWC», который можно получить или из спутниковых данных CloudSat, либо из расчетных данных MERRA-2, используя параметр QL, который автор нигде не использует. Тем не менее, описывая результаты расчетов (стр.28 и дальше), он неожидано приводит величины весьма близкие к значениям, посчитанным для реального LWC. Остается вопрос, откуда он их взял!?
Сравним, например, его данные по месячным осадкам (стр.31) для Лиссабона в 2014 году с моими нормированными расчетами (зеленые кружки). Для сопоставления я подобрал значение эффективности сети равным 14.5%, чтобы привести среднее значение примерно к той же величине ~300 л/м2 в месяц.
Сравнение месячных данных для Лиссабона в 2014 году в немецкой работе и у меня (зеленые кружки)
Видно, что данные моих расчетов очень похожи на данные немецкой работы, хотя абсурд начинается с того, что немецкий автор сравнивает эти свои расчеты с осадками, не замечая, что это совершенно разные м2 - осадки = горизонтальные м2, а на сетке = вертикальные м2, т.е. на одном горизонтальном м2 можно разместить вверх тысячи вертикальных м2 и получить любое количество воды.
Более-менее корректное сравнение можно получить только через экономические критерии. Например, посчитаем ТЭ параметры для АэроГЭС при полной оптимизации по моей комплекснной модели для Лиссабона в 2014 году. Если использовать данные CloudSat для расчета максимально возможной водности облаков по вертикали (т.е. постоянно регулируя высоту подъема сети АэроГЭС), то получаем значение 98.52662 mg/m3 (global max), которое при оптимизации в модели дает, например, следующие цифры:
Т.е. срок окупаемости ~ 1.2 года, цена ЭЭ ~ 9.9 цента/кВтч, цена воды ~ 13.7 цента/м3, производительность ~ 4.86 литра в сутки на 1 физический м2 однослойной сетки (типа чилийской). Расчет велся для сети 100 на 100 м со сроком эксплуатации до 10 лет, т.е. общий поток воды около 50 тонн в сутки.