Энергетика будущего: как разработки российских ученых повлияют на освоение Арктики

Арктика — одна из самых сложных и вместе с тем перспективных для освоения территорий. Для ее развития необходимы самые передовые научные разработки. Так, в конце сентября благодаря нацпроекту «Наука и университеты» научно-образовательный центр мирового уровня (НОЦ) «Север — территория устойчивого развития» получил субсидии на открытие шести молодежных научных лабораторий. Часть из них уже работают, другие будут запущены очень скоро. Портал национальныепроекты.рф рассказывает о главных направлениях исследований для российской Арктики.

Тематика октября в Год науки и технологий — «Энергетика будущего». Для развития арктических территорий российские ученые разрабатывают технологии, способные осуществить энергетическое обеспечение поселений и объектов, построенных в условиях вечной мерзлоты.

В этом году в НОЦ «Север — территория устойчивого развития» исследователи представили проект по запуску масштабной технологической платформы по разработке и апробации водородных технологий полного цикла в условиях Крайнего Севера. Полный цикл включает в себя извлечение водорода, хранение и использование для нужд энергоснабжения. Это позволит работать на удаленных объектах вне зависимости от климатических условий и поставок топлива.

Использование водорода в качестве топлива в Арктике особенно актуально потому, что в регионе много воды, которая хорошо подходит для извлечения готового топлива. Кроме того, водород довольно просто получать с технической точки зрения, процесс можно с легкостью организовать на полярной станции или в отдаленном поселении. И ученые в НОЦ «Север — территория устойчивого развития» разрабатывают экологически чистые технологии получения, транспортировки и эффективного хранения вещества. Кстати, узнать подробнее о работе научно-образовательного центра «Кузбасс» можно по этой ссылке.

Помимо Арктического региона, ученые ведут разработки для обеспечения электроэнергией таких не менее труднодоступных территорий, как Сахалин и Курильские острова. Так, в Сахалинском государственном университете открылась лаборатория электрохимических источников для возобновляемой энергетики, акцент в ней будет сделан на создание новых накопителей энергии для этих дальневосточных регионов на основе солнечных батарей и ветрогенераторов, изучение накопления и потребления водорода. Лаборатория создается в партнерстве с Институтом проблем химической физики РАН. Одна из целей создания лаборатории — формирование научно-технологической повестки и подготовка перспективных кадров для работы на проектах Сахалинского водородного кластера.

Лаборатория создается еще и потому, что область планирует стать пилотным регионом по достижению углеродной нейтральности к 2024 году, а также запустить пилотные проекты в области водородной энергетики, в том числе на транспорте. Уже сейчас начались работы по таким проектам, как Сахалинский водородный кластер, завод по производству водорода «Русатом Оверсиз» и AirLiquide для экспорта водорода в Японию и другие страны АТР, использование водорода на железнодорожном транспорте области. Таким образом, в сфере водородной энергетики область может обеспечить себе ведущие позиции среди российских регионов.

Научно-технологический центр автономной энергетики в составе Института арктических технологий Московского физико-технического института (НТЦ АТ МФТИ) был создан в 2017 году в рамках реализации федеральной программы «Арктические технологии». Он работает с проектами в сфере автономной энергетики, которые позволят обеспечивать электроэнергией труднодоступные населенные пункты и объекты инфраструктуры Заполярья. Сегодня это один из ведущих центров по созданию арктических проектов в энергетической сфере. В состав НТЦ автономной энергетики входят четыре лаборатории, каждая из которых занимается разработками по отдельным направлениям, а также инжиниринговый центр. В приоритете технологии водородной энергетики, использование возобновляемых энергоресурсов и совершенствование энергоносителей.

В суровых условиях за Полярным кругом скорость ветра нередко достигает 15–20 м/с, а в некоторых областях доходит до 50 м/с. Экстремальные стоковые ветра имеют свое название — бора (с ударением на последний слог). Это довольно редкое климатическое явление: ученые пришли к выводу, что оно возникает, когда огромные массы воздуха переваливают через горные хребты. Непростые погодные условия требуют особенных подходов к созданию ветрогенераторов для Арктики. Проектированием и разработкой адаптированных для использования на севере ветряков занимаются в лаборатории возобновляемых источников энергии НТЦ АТ МФТИ.

Основной их проект — Арктическая ветроэнергоустановка (АркВЭУ). Ее мощность составляет около 100 киловатт, и она спроектирована так, чтобы работать в полностью изолированных условиях без перебоев электроэнергии. Особенности конструкции позволяют ей не покрываться льдом, эффективно работать при температуре до минус 50 °С, а также выдерживать скорость ветра в 60 м/с в трехсекундных порывах. Благодаря повышенной коррозийной и солевой стойкости механизм АркВЭУ может значительно дольше обходиться без технического обслуживания, чем обычные ветрогенераторы. Сегодняшняя система энергоснабжения в труднодоступных и удаленных территориях завязана на поставки дизельного топлива, она неэффективна и требует использования множества ресурсов. АркВЭУ позволит регионам существенно снизить долю затрат на энергоснабжение — сегодня на отдельных территориях общие затраты на него достигают 37% от валового продукта.

Есть и другое направление. Так, лаборатория топливных элементов в составе университета занимается разработками твердооксидных топливных элементов. Коэффициент полезного действия (КПД) традиционного углеводородного топлива довольно мал для работы в неблагоприятных условиях севера, поэтому ученые ведут исследования области совершенствования технологий твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Это одна из наиболее эффективных технологий преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию, известная на сегодняшний день. Электрогенераторы на основе ТОТЭ достигают 60% КПД, а при комбинировании с газовыми турбинами КПД можно повысить вплоть до 70%. Использование подобных устройств для отопления позволит повысить КПД до 90% почти без потерь в тепловой энергии. В качестве топлива могут быть использованы водород, монооксид углерода, углеводородные топлива — газообразные и жидкие.

Модернизируется и научная инфраструктура для освоения и развития Арктики. Так, благодаря значительной базе разработок и экспертизы в области арктической энергетики МФТИ совместно с российскими и международными партнерами инициировал проект строительства комплекса автономных международных арктических станций «Снежинка». Станции будут работать исключительно на возобновляемых источниках энергии и водородной энергетике. Они позволят проводить разносторонние исследования Арктики, апробацию перспективных технологий в неблагоприятных климатических условиях. Проект единогласно одобрили все страны Арктического совета, а в Год науки и технологий строительство станции началось в Ямало-Ненецком автономном округе. Также напоминаем, что мы уже писали об исследованиях для Арктики в этом материале.

Международная арктическая станция «Снежинка» станет одним из самых крупных объектов научной инфраструктуры в Арктической зоне. Благодаря ее технологическому оснащению ученые со всего мира смогут вести разработки по различным направлениям, актуальным для освоения Арктики: от систем жизнеобеспечения до сельскохозяйственных технологий по выращиванию овощей в экстремальных условиях.

При этом специалисты Научно-технологического центра автономной энергетики разработали оптимальные варианты обеспечения станций «Снежинка» электроэнергией. Они создали комплекс, работающий на перспективных экологичных источниках энергии и совмещающий ветряные генераторы, солнечные батареи, а также водородные электростанции. Кроме того, для эффективной работы энергетического комплекса спроектировали перспективные накопители энергии, которые будут проходить тестирование во время работы станций.