Leader-ID
2330 subscribers

Россия построит в Арктике две станции для научных экспериментов в условиях экстремального холода

176 full reads
Россия построит в Арктике две станции для научных экспериментов в условиях экстремального холода

В ближайшие два года Россия планирует построить две международные арктические станции — на Ямале и в Мурманской области. Станции назовут «Снежинками», и они будут базой для научных исследований и экспериментов, в том числе в области возобновляемой энергетики и накопления энергии в водороде. Еще «Снежинки» станут учебным полигоном для студентов и молодых ученых. Проект — победитель «Технологического прорыва НТИ», участник рынка EnergyNet.

Один из инициаторов проекта, исполнительный директор Института арктических технологий Московского физико-технического института (МФТИ) Юрий Васильев, рассказал нам, зачем парк ветряков, солнечных батарей и водородных установок дополнят дизель-генераторами и почему иностранные компании изменили свое скептическое отношение и сейчас помогают в проекте. Далее слово Юрию.

Зачем нужны «Снежинки»

Арктическая станция — это междисциплинарная исследовательская площадка, которая будет работать по принципу полной экологичности. Сама по себе станция и поведение всех ее систем жизнеобеспечения станут предметом исследования. Мы отработаем новые решения в области электро- и теплоэнергетики, водоподготовки, переработки мусора.

Но акцент все-таки будет на прикладных исследованиях в области возобновляемых источников энергии и водородной энергетики. Мы планируем испытания водородных беспилотников, строительство водородной и электрической заправок, будем тестировать здесь аккумуляторы высокой емкости.

Экстремальные условия вокруг станции — это плюс. Решения, которые работают в Арктике, будут работать везде.

В мире ничего подобного никто не делал. Есть похожая на наш проект бельгийская антарктическая станция «Принцесса Элизабет», она работает на солнечных батареях и ветряной генерации. Но это совсем небольшая станция и у них нет водорода. Как и все другие существующие полярные станции, она работает только в период полярного дня — с ноября по март, когда есть солнце для работы солнечных батарей, а в остальное время года законсервирована. Наши станции будут круглогодичными.

В июне мы согласовали с правительством Ямало-Ненецкого автономного округа площадку для строительства станции на Ямале, в июле подписали контракт на проектирование. Генпроектировщик — дочерняя компания МФТИ, которая называется «Инжиниринговый центр „Автономная энергетика“». По специализированным направлениям мы привлекли субпроектировщиков. Проект планируем сдать в 2022 году, а в конце этого же года или начале 2023-го начать строительство. Если все пойдет по плану, в 2024 году заработает «Снежинка» на Ямале.

Сумма финансирования на ямальскую станцию — 2 миллиарда рублей, это деньги из федерального бюджета. Не исключаю, что затраты будут выше: стройматериалы постоянно дорожают.

В Мурманской области дела идут несколько медленнее, мы ждем от правительства региона подходящую площадку для размещения станции.

Откуда станция будет брать тепло и электричество

Здесь и далее я показываю расчеты для ямальской станции, поскольку c этим проектом все более понятно. О планах по станции в Мурманской области расскажу отдельно.

Наша «Снежинка» будет больше зарубежных станций и, соответственно, будет потреблять больше энергии. Я уже приводил пример бельгийской «Принцессы Элизабет»: эта станция рассчитана на 100–200 кВт максимального потребления. Мы рассчитываем пиковую мощность около 1 МВт.

Площадь станции будет составлять 5000 м², а ангары для оборудования, мастерских и техники — еще 4000 м². Пиковая нагрузка вряд ли когда-то будет достигнута, для этого на станции надо одновременно включить все электроприборы, но мы делаем запас. Расчетная нагрузка зимой, думаю, будет около 300 кВт.

Вот откуда мы планируем брать энергию.

Ветропарк. Это ветрогенераторы общей мощностью 1 МВт — то есть при идеальных условиях ветряная энергия могла бы полностью обеспечить потребности станции. Площадка, которую мы выбрали, хорошо продувается, но у нас нет точных метеонаблюдений за длительный период, поэтому пока картина неполная. Мы установили метеостанции, чтобы лучше оценить ситуацию с ветром.

Солнечная станция. По нашим расчетам, она сможет выдавать 300 кВт энергии. Солнца на Ямале мало, с ноября по апрель мы почти ничего от него не получим. И именно в этот период резко возрастает энергетическая нагрузка из-за того, что надо активно отапливать помещения. Но в остальное время энергию солнца может будет запасать в аккумуляторах, а еще это поле для тестирования новых технологий.

Тепловые насосы. Их максимальная мощность будет 400 кВт — это тепловая мощность, так как насос сразу поставляет на станцию тепло. Мы планируем озерный вариант теплового насоса: рядом есть озеро, которое на глубине не замерзает, туда мы погрузим полиэтиленовые трубы, выложим их змейкой.

Даже в полярную ночь на глубине будет 4–5 градусов тепла по сравнению с −50 на поверхности.

Принцип работы такой: в трубах циркулирует теплоноситель, который по мере продвижения по контуру на глубине озера прогревается до температуры воды вокруг. Когда подогретый теплоноситель возвращается на станцию, он переходит в газообразное состояние и сжимается в компрессоре, за счет этого повышается температура газа. Далее можно передать это тепло в батареи и обогреваемые полы. Это дешевле, чем использовать только электричество.

Мы знаем, как работать с такими низкотемпературными источниками. Чтобы функционировал тепловой насос, надо с коэффициентом 1:4 тратить электрическую энергию на насосы. На 400 кВт тепловой мощности мы будем постоянно тратить около 100 кВт электроэнергии.

То самое озеро, тепло которого мы планируем использовать
То самое озеро, тепло которого мы планируем использовать

Дизель-генераторы. Чтобы получить положительное заключение госэкспертизы, мы не можем проектировать станцию только на возобновляемых источниках энергии — пока все они считаются ненадежными. Поэтому у нас будут дизель-генераторные установки. По документам именно они будут основным источником энергоснабжения.

Планируем две группы дизелей. Первая будет состоять из мощных генераторов, которые потребуются на случай аварийной ситуации и смогут поддержать жизнь станции, если все остальные источники дадут сбой. Вторая группа — это маломощные дизели, которые нужны на случай ошибки в расчетах — если возобновляемых источников будет не хватать. Все-таки при работе в условиях Арктики очень много допущений и у нас должен быть резервный вариант. Но мы моделируем станцию с учетом того, чтобы дизели никогда не включать.

Где «Снежинка» будет копить энергию

Схема энергоснабжения — профицитная, то есть периодически энергии будет больше, чем тратит станция. Например, если хороший ветер и ветряки выдают целый мегаватт, разумно излишек энергии запасать и тратить позже, когда ветра нет.

У нас будет три вида накопителей с разной емкостью.

Литийионный накопитель. Этот накопитель, согласно нашим расчетам, сможет запасать 2,5 мегаватт-часа. Все излишки энергии в первую очередь будем направлять в этот накопитель — он самый понятный и простой, по сути дела, большая аккумуляторная батарейка.

Литийионный накопитель — балансирующий, он покрывает пики потребления: например, когда разом включили все кухонное оборудование, начала работать сауна и тренажерный зал. В этот момент «прямых» поставок электричества может не хватить и накопитель перекроет дефицит. Именно этот накопитель отвечает за качество энергии: напряжение и частоту.

Накопитель водородного цикла. У него будет самая большая емкость — 100 мегаватт-часов. Этот накопитель дает нам уверенность, что мы без дизеля сможем долго продержаться в полярную ночь.

Работает все так: электролизом из воды получаем водород и храним его под небольшим давлением в цистернах. Стоят группы топливных элементов, которые, по сути, производят обратный электролизу процесс: на мембранах мы соединяем водород из цистерн, кислород из атмосферы, получаем на выходе электрическую и тепловую энергию.

КПД у водородного цикла плохой — 35%. Есть потери при электролизе, при перекачке в цистерны и хранении, большие потери в топливном элементе при обратном преобразовании. Все потери происходят в виде тепла, поэтому водородный накопитель будет стоять в ангарах технопарка, где это тепло просто рассеивается вокруг и сам накопитель служит обогревателем. С учетом такого решения КПД планируем довести до 50% — это нормальный для общемировой практики показатель.

Теплоаккумулятор. Это нестандартное решение мы разрабатываем специально для этой станции. Емкость аккумулятора будет 120 киловатт-часов. Твердотельные теплоаккумуляторы на талькомагнезите обычно применяют при строительстве саун. Талькомагнезит — это природный камень, который добывают на Урале.

Упрощенно говоря, мы берем большой камень, режем его на пластины по 40 мм, а между этими пластинами ставим электрические нагреватели — ТЭНы, как в сауне. Все это заключаем в термоизоляционный кожух, который позволяет хранить тепло.

Когда у нас есть лишняя энергия, мы включаем ТЭНы и греем камень до 400–500 градусов. С помощью жидкостного теплообменника потом «снимаем» это тепло и подогреваем теплоноситель, который циркулирует по системе отопления. Можно еще создать воздушный канал и греть помещения теплым воздухом — так же, как тепловая пушка.

По расчетам, тепловая энергия в аккумуляторе сохраняется пять-семь суток: это время, за которое камень остывает до комнатной температуры. Когда аккумулятор остывает, тепло выходит в то помещение, где он стоит, то есть косвенно эти потери мы используем.

Теплоаккумулятор хорошо подходит для климата Арктики, где ветра цикличны и дуют с паузой в два-три дня. Цикл работы аккумулятора более чем достаточен для таких пауз. Мы сейчас готовим опытный образец изделия, аккумулятор будет весить 3–4 тонны и иметь габариты 1,5 × 1,5 × 2 метра — это солидная конструкция. При этом ее легко разобрать и перевезти по частям.

В отличие от литийионного накопителя энергию из теплоаккумулятора надо расходовать оперативно. Но литий дорог, он постепенно деградирует, есть проблемы с его утилизацией. Все-таки это не самое экологичное решение. А в Арктике две трети энергии в конечном счете идет на отопление. Так почему бы сразу не преобразовать ее в тепло и хранить как тепло?

Как будет распределяться энергия

Один из сложных вопросов проектирования — маршрутизация энергии. Помимо генерации и накопления, во всей этой системе важно правильно распределить нагрузку, чтобы не было всплесков потребления и при этом жители станции не мучились с графиками. Управляемая нагрузка — это не включать чайник по расписанию.

Нам надо придать логику работе множества устройств: вентиляторов, пароувлажнителей, насосов, установок очистки воды, кухонных машин и морозилок.

Принцип работы такой: автоматика сама решает, когда включить устройство. Если надо постирать белье, стиральная машина формирует запрос на покупку энергии и система определяет, когда оптимально включить стирку исходя из загрузки станции, запасов и генерации энергии.

При этом желательно, чтобы энергия пошла не из водородного накопителя, потому что у нас там худший КПД, а напрямую из ветряков.

Точно так же рассчитываем тепловую нагрузку. Если понимаем, что часть комнат пока не занята, можно снижать температуру их отопления. А если по графику завтра приезжает группа гостей и их надо разместить, то спальни, наоборот, надо хорошо протопить.

В чем отличие двух станций

Ямал — основная площадка для проектов «Снежинок», мы работаем в этом округе с 2019 года. В Мурманской области начали с весны 2020 года, предварительно выбрано место у Териберки. К этой площадке можно подключить внешнюю электросеть, там есть воздушные линии 6 кВ — не очень надежные, но все же в случае дефицита автономных мощностей уже не надо ставить дизели. Это очень удобный формат, хотя станцию и нельзя будет назвать полностью автономной.

Кроме того, мы могли бы опробовать формат микрогрида, когда станция сама генерирует электричество и снабжает им соседние поселки. В том числе в тех случаях, когда возникают проблемы с традиционной сетью — обрыв воздушного кабеля, например.

Мы хотим, чтобы станции не дублировали, а дополняли друг друга. Например, если на Ямале мы сами вырабатываем в большом объеме водород, то мурманская станция будет производить значительно меньше водорода на месте и должна частично работать на привозном водороде. Здесь много вопросов. Хотелось бы использовать относительно «зеленый» водород, который генерируют, например, на избытках мощности Кольской атомной станции. Формально это не совсем «зеленый» водород, «зеленый» — из возобновляемых источников. Но с точки зрения карбонового следа атомная генерация лучше, чем ветер и солнце.

Мурманская станция будет интересна именно привозным водородом. Нет задачи на этом привозном водороде жить, потому что это экономически очень неэффективно.

Привозной водород — это вызов. Надо решить, в каком виде и по каким технологиям мы его перевозим, храним, извлекаем и преобразуем в энергию на месте ее потребления.

Планируем и служебный водородный транспорт: шаттлы для гостей в аэропорту, грузовики для снабжения продуктами, мусоровозы. Соответственно, нужна водородная заправка и возможности обслуживать такой транспорт. С точки зрения эксперимента это очень интересно.

Как выглядит иностранное участие в проекте

Проект «Снежинок» единогласно поддержали все восемь арктических стран. Кроме России, статус соорганизатора имеет Норвегия, а Германия получила статус официального партнера. В Арктическом совете, помимо восьми арктических стран, 13 стран состоят в статусе наблюдателей.

С 2011 года на острове Рамеа в Ньюфаундленде идет эксперимент по созданию ветро-водородной системы энергоснабжения. Схема ее работы частично похожа на «Снежинки». В 2018 году агентство CBCnews сообщило, что с проектом проблемы: ветрогенераторы не работают месяцами, а цены на электричество для населения растут
С 2011 года на острове Рамеа в Ньюфаундленде идет эксперимент по созданию ветро-водородной системы энергоснабжения. Схема ее работы частично похожа на «Снежинки». В 2018 году агентство CBCnews сообщило, что с проектом проблемы: ветрогенераторы не работают месяцами, а цены на электричество для населения растут

Норвежцы откликнулись первыми. Они пока не готовы вкладываться финансово, но в принципе нам это и не нужно: из-за международных инвестиций могут растянуться сроки. Сейчас мы сотрудничаем с норвежской экологической организацией Bellona Foundation. Это экологи, которые в свое время серьезно критиковали российское правительство. Они согласились участвовать, потому что увидели: мы делаем правильные вещи с 100% экологическим подходом, которые интересны всему миру. Я думаю, это сигнал для всех. «Снежинки» — это не потемкинская деревня. Все поняли, что мы не на отчетность работаем, а создаем реальную международную базу для ученых, инженеров, студентов.

Bellona сотрудничает с нами в стратегических вопросах, у них очень сильные эксперты. Они помогают продвигать проект на международном уровне.

Когда мы сами про свой проект рассказываем — одно отношение, а когда независимые специалисты из северного государства, норвежцы, причем не какие-то подставные, а реальные и принципиальные, — это дает серьезный кредит доверия.

В ноябре 2021 года МФТИ также подписал соглашение с Университетом науки и технологий Халифа и эмиратской компанией MKC for Power Solutions L.L.C. Почему в Эмиратах заинтересовались нашими технологиями? Если совсем грубо, поменяйте ветер на солнце, −50 на +50 — и получится научная станция в пустыне. Задача создания автономного безуглеродного объекта будет примерно такая же. Это перспектива на будущее, когда российские «Снежинки» будут построены.

Университет Халифа входит в список лучших учебных заведений ОАЭ и ведет активные исследования в области возобновляемой и водородной энергетики. На фото — исполнительный директор Института арктических технологий МФТИ Юрий Васильев, исполнительный вице-президент Университета Халифа Ариф Султан Аль Хаммади и генеральный директор MKC for Power Solutions L.L.C. Алаа Зоуроб
Университет Халифа входит в список лучших учебных заведений ОАЭ и ведет активные исследования в области возобновляемой и водородной энергетики. На фото — исполнительный директор Института арктических технологий МФТИ Юрий Васильев, исполнительный вице-президент Университета Халифа Ариф Султан Аль Хаммади и генеральный директор MKC for Power Solutions L.L.C. Алаа Зоуроб