Арктическая станция «Снежинка»: как снабжают энергией места, отрезанные от мира

Таких в стране больше тысячи, причем не только в северных регионах — Мурманской области или Полярном Урале, но и в Приморье, на Камчатке, в Забайкалье и Якутии. Отрезанные от централизованного энергоснабжения, они получают электричество от собственных генераторов, дизель для которых приходится доставлять с «большой земли».

Подавляющее большинство таких локальных электростанций проектировались и строились еще во времена Советского Союза. По сегодняшним меркам они потребляют слишком много топлива и чересчур токсичны для окружающей среды. По словам главы Института арктических технологий МФТИ Юрия Васильева, такие энергосистемы крайне неэффективны, среднее потребление дизтоплива в них составляет 300−500 г на каждый киловатт-час произведенной энергии. Такие расходы выливаются в высокую стоимость электричества, значительную часть которой приходится компенсировать из регионального и федерального бюджетов.

Массовый перевод изолированных поселков и станций на собственные возобновляемые источники энергии не так прост. Солнце здесь может не подниматься над горизонтом целыми месяцами, ветры не всегда стабильны, к тому же массивные ветряки часто невозможно доставить на место вместе с нужной им тяжелой строительной техникой. Поэтому инженерам МФТИ пришлось разработать ветрогенераторы особой конструкции, которые возводятся на манер строительных кранов. К нижнему колену крепится монтажное устройство, которое устанавливает следующий блок и карабкается по нему все выше, вплоть до 30-метровой высоты, куда поднимаются гондола и ветроколесо с лопастями диаметром около 25 м.

Такие размеры задаются величиной стандартных 40-футовых грузовых контейнеров, которыми должны доставляться до цели все компоненты «арктического» ветряка и энергостанции. К началу осени 2020 года несколько таких контейнеров прибудут в ямальскую деревню Лаборовая, где живет чуть меньше 700 человек. До конца года Институт арктических технологий должен запустить здесь тестовую эксплуатацию экспериментальной гибридной электростанции, в которой возобновляемые источники энергии и литий-ионные накопители дополнят дизель-генераторы нового поколения на переменных оборотах.

Гибридная энергетика

Дело в том, что обычные дизель-генераторные установки задают частоту тока в сети (50 Гц) и должны работать на заданных стандартных оборотах (обычно 1500 об/мин), какой бы ни была реальная нагрузка. Если для промышленных предприятий с их достаточно стабильным потреблением энергии это не слишком важно, то в жилых поселках приводит к сильному перерасходу топлива. Стандартные электростанции проектируются так, чтобы обеспечивать людей энергией даже в холодные зимние месяцы. А когда отопительный сезон заканчивается, они продолжают работать, не сбавляя оборотов, тратя топливо в прежнем режиме. «Например, Лаборовая зимой требует 200−250 кВт, а в летний минимум потребление может падать до 11 кВт — разница в 20 с лишним раз», — добавляет Юрий Васильев. Новые дизель-генераторы смогут сбавлять обороты, когда это необходимо; они готовятся к отправке на Ямал уже в августе.

МультиМЭС — многорежимная электростанция, спроектированная в МФТИ на основе ярославских двигателей ЯМЗ-534. Ее работу координирует специальный блок электроники, который позволяет держать частоту 50 Гц вне зависимости от оборотов двигателя и генератора и снизить расход топлива примерно до 200 г на каждый киловатт-час. А если сюда добавить дополнительный источник энергии в виде ветрогенератора, то эта цифра может быть уменьшена еще до 100−130 г.

В разы пониженные расходы топлива означают и меньшие объемы доставки, и меньше выбросов парниковых газов, и, конечно, меньший риск утечек и аварий. Ожидается, что экспериментальный проект в Лаборовой подтвердит эти расчеты и уже с 2021 года мультиМЭС пойдет «в тираж» и сможет устанавливаться в других поселках Ямала и прочих труднодоступных регионов. Параллельно с этим начнется строительство и новой экспериментальной станции, на сей раз вовсе без дизеля и с нулевыми выбросами в атмосферу.

Автономная энергетика

«Говоря про автономную энергетику, следует различать, с одной стороны, проекты для массового потребителя и коммерциализации, а с другой — проекты, ориентированные на будущее, на отработку перспективных технологий, — объясняет Юрий Васильев. — Полностью рассчитанные на возобновляемые источники, они пока что требуют очень серьезных инвестиций и возможны только как разовые, уникальные истории». Такой уникальной и станет международная арктическая станция «Снежинка».

«Это будет площадка для отработки нескольких направлений технологий, включая системы жизнеобеспечения, удаленное присутствие, телемедицину, но прежде всего автономную энергетику», — добавляет Юрий Васильев. Помимо трех ветряков «Снежинка» будет использовать солнечные батареи для выработки запаса водорода, благодаря чему сможет круглый год полностью обеспечивать себя энергией. Главный вклад, конечно, сделает ветер: по оценкам разработчиков, он позволит получать от 300 до 500 кВт.

Планируемая нагрузка самой станции «Снежинка» составляет около 150 кВт, так что избыток этой энергии направят для зарядки литий-ионных аккумуляторов, а затем в тепловые накопители с твердым рабочим телом. Несколько тонн природного камня (талькохлорита), помещенные в изолирующий кожух, будут раскаляться до 500−600 °С, позволяя снимать тепловую энергию для генерации электричества или использовать ее напрямую для обогрева воздуха. Ну а когда эти накопители полностью зарядятся, энергия от ветряков отправится на получение водорода.

Выделенный за счет электролиза воды газ будет накапливаться в специальных купольных хранилищах, по соображениям безопасности расположенных чуть поодаль от основных помещений станции. При необходимости — например, зимой, когда расход энергии доходит до максимума, ветра слабы, а солнца нет вовсе, — этот водород сможет питать топливные элементы. Его «холодное горение» даст нужное электричество. «Эра ископаемого топлива заканчивается, — замечает Юрий Васильев. — Уверен, что серьезная трансформация произойдет уже в нынешнем десятилетии. «Снежинка» — это наши 2030-е».

Автономная станция

В 2021—2023 годах Россия будет председательствовать в Арктическом совете, и автономная станция должна стать одним из проектов, который страна представит международному сообществу. Для нее уже выбрано и место близ этностойбища «Земля надежды» в горах Полярного Урала, где живут ненецкие оленеводы. Большую часть времени они кочуют, перегоняя свои стада, но дважды в год переваливают через эту местность, и вокруг стойбища поднимается множество новых временных жилищ. Вскоре рядом с ними должны засиять синие купола новой станции — фантастическое будущее на традиционном фоне.

«Снежинка» обеспечит «Землю надежды» электричеством и связью, современными услугами, такими как телемедицина, привлечет ученых и туристов. В первую очередь строительства станции входят пять куполов, включая жилой, офисный (с конференц-залом), бытовой (с кухнями, столовыми, медкабинетом), технологический (где разместятся склады, системы энерго- и жизнеобеспечения) и, наконец, обзорный, который поднимется выше остальных и позволит любоваться северной природой сквозь панорамное остекление.

В техническом подполье и на «чердаке» каждого купола расположится инфраструктура, включая химические и тепловые накопители, водородные топливные элементы, системы кондиционирования. Для жизни и работы предполагается использовать два основных этажа площадью около 150 м2 каждый. Пространства внутри предостаточно: уже в таком виде «Снежинка» сможет полностью обеспечивать около 30 человек, из которых шесть составит обслуживающий персонал.

«Если сравнивать с обычными полярными станциями, интерьеры которых больше похожи на тесные каюты подводных лодок, то наша «Снежинка» почти что люкс», — говорит Юрий Васильев. Общая площадь ее помещений составит 1500−1600 м2, а после возведения еще нескольких куполов второй очереди достигнет почти 3000 м2. «Прорабатываются варианты международного сотрудничества, — добавляет Юрий Васильев. — Возможно, разные страны смогут участвовать в постройке дополнительных куполов, как это делается на МКС».

Почти космическая станция

Сравнение с МКС возникло не случайно. Как и космическая станция, автономная «Снежинка» должна стать уникальным полигоном для обкатки новых технологий не только в области энергетики. Здесь планируется опробовать гидропонику и другие методы изолированного выращивания сельскохозяйственных культур, высокотемпературный пиролиз для утилизации мусора. К сотрудничеству приглашаются ученые и инженеры из России и стран Арктического совета — и все желающие. Да и добраться до «Снежинки» куда проще, чем на орбиту.

Самолет прилетает в Салехард, откуда будет налажена перевозка трэколами и гусеничным транспортом — в зависимости от погоды это займет 6−8 ч. Ожидается, что станция будет принимать старшеклассников и научных туристов, разработчиков арктической техники, ученых и журналистов. Эскизный проект почти готов, и совсем скоро должна начаться основная, техническая фаза проектирования. Весной 2021-го стартует производство компонентов станции, а летом — ее строительство. К 2022 году автономная «Снежинка» должна выкристаллизоваться окончательно.