Свет в Полярную ночь

Проблема автономной энергетики в Арктических регионах стоит очень остро. Небольшие изолированные поселки снабжаются электроэнергией в основном с помощью дизель-генераторов, работающих на привозном топливе. В результате расходы просто огромны, что тормозит развитие региона. Для решения этой проблемы при Институте арктических технологий МФТИ был создан Научно-технический центр автономной энергетики. Лаборатории, входящие в состав центра, работают над технологиями, позволяющими максимально экологично произвести энергию, сохранить ее и в нужный момент передать потребителю.

 

Экология и экономика

Несмотря на то, что в 2012 году была запущена программа «Чистая земля» по вывозу металлолома, ржавеющие бочки из-под солярки остаются характерной чертой арктического пейзажа. 

Юрий Васильев, исполнительный директор Института арктических технологий МФТИ:

— Само собой, с точки зрения экологии сжигание углеводородов — плохо. Но, кроме того, существующая энергосистема еще и крайне неэкономична. Дизель-генераторы не учитывают суточные колебания потребления и часть времени работают практически вхолостую. В итоге себестоимость киловатт-часа доходит до 70 рублей и выше. При таких ценах строительство гибридной энергостанции, использующей альтернативные методы генерации, могут окупиться за 7–10 лет (в зависимости от ветропотенциала и инсоляции в данной точке).

Арктика будет зеленой!

Удивительно, но в Арктике не так мало солнца: на протяжении полярного дня с помощью солнечных панелей можно получить ощутимое количество энергии. Но нужнее всего энергия зимой, во время полярной ночи, поэтому лаборатория возобновляемых источников энергии уделяет особое внимание ветру как первичному источнику энергии.

Основной проект лаборатории — ветроэнергоустановка (ВЭУ) в арктическом исполнении мощностью около 100 кВт. ВЭУ предназначена для энергообеспечения удаленных жилых объектов, а также радиотехнических, метеорологических постов и систем локации, связи и других потребителей малой мощности.

Климат побережья Северного Ледовитого океана Ямала, Таймыра, Якутии суровее, чем, например, в скандинавских странах или Канаде; разработанные за рубежом установки не справляются с арктическими морозами. ВЭУ должна работать в диапазоне температур от минус 50 до плюс 40 °С, выдерживать порывы ветра до 60 м/с, иметь систему антиобледенения, а также повышенную коррозийную и солевую стойкость.

Владимир Николаев, заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии поделился: «Перед нами стоит очень сложная задача, тем интереснее искать методы ее решения. Чтобы двигаться вперед, полезно посмотреть и назад: в 90-е годы в этой области было сделано много интересных наработок, из-за недостатка финансирования не поступивших в серийное производство. Оказалось, если их доработать с учетом появившихся новых материалов, можно опередить даже признанных лидеров в этой области».

 

Запасти, сохранить и использовать

Поиск новых электрохимических методов накопления электроэнергии при экстремальных температурных условиях — задача лаборатории накопителей энергии. Солнце и ветер генерируют электричество неравномерно: чередуются периоды, когда мощность слишком велика и когда слишком мала, у энергетиков это называется «пилою». Литиевая батарея обеспечивает функцию сглаживания пульсации.

«Чем ниже температура, тем хуже аккумулятор держит заряд. Мы внедряем технологии, которые позволяют сохранять энергетическую живучесть объектов при температуре минус 45, минус 50 и даже минус 60 °С. Мы не говорим, что при этой температуре обеспечим такую же эффективность, как при комнатной, — это невозможно. Но мы сохраним живучесть объектов: когда потребуется использование накопителя, он в кратчайшие сроки придет в готовность», — рассказывает Денис Шабратов, руководитель научно-производственного управления накопителей энергии.

Сотрудники лаборатории разрабатывают аккумуляторы, которые продолжают работать, даже если их разрубить пополам или пробить гвоздем — автономная энергетика должна быть максимально надежной и безопасной.

В лаборатории физико-химических процессов в постлитий-ионных источниках тока реализуют программу фундаментальных исследований по разработке пост литий-ионных технологий совместно с НИИ энергетики и климата (г. Юлих, Германия). Уже сегодня тестируются прототипы аккумуляторов в несколько раз мощнее, способные обеспечивать энергией в 10 раз дольше, чем существующие.

«В производстве современных литий-ионных аккумуляторов требуются остродефицитные кобальт, марганец, никель и непосредственно литий. Стоимость одних только материалов для производства, например, батареи электромобиля (около 100 кВт⋅ч) составляет более 1,5 млн руб. Кроме того, ресурса традиционного литий-ионного аккумулятора для работы в пилообразном режиме в паре с ВЭУ хватит на несколько месяцев. У разрабатываемых нами новых твердотельных аккумуляторов ресурс практически не ограничен — в них отсутствуют побочные химические процессы и нет жидкого электролита, с которым связаны основные технологические проблемы традиционных аккумуляторов, в тот числе падение емкости. Снижение стоимости и увеличение энергоемкости может быть за счет использования новых, более доступных материалов, таких как натрий вместо лития и сера вместо кобальта. Ожидается что в серийном производстве стоимость батарей, изготовленных по такой технологии, снизится более чем в 2 раза», — делится Дмитрий Семененко, заместитель заведующего лабораторией физико-химических процессов в постлитий-ионных источниках тока.

 

Водородная энергетика

Аккумуляторы хорошо справляются с проблемой «энергетической пилы», однако использовать их для длительного хранения дорого. Поэтому мировая энергетика все внимательнее присматривается к водороду: избытки электроэнергии в период активности ветряных и солнечных электростанций можно с помощью электролиза превратить в водород, а затем по мере необходимости использовать запасенный водород в качестве топлива. Разрабатываемая в лаборатории водородной энергетики технология должна обеспечить получение водорода с высокой чистотой, пригодного для непосредственного использования в низкотемпературных топливных элементах, различных химических процессах и системах хранения.

«Водородная энергетика очень перспективна. Сейчас, например, огромные ГЭС в восточных регионах России не работают на полную мощность — для этой энергии там просто нет потребителей. Но ее можно было бы использовать для производства водорода, который можно транспортировать к потребителю в смеси с природным газом, используя существующие газопроводы: на месте водород и природный газ можно легко разделить, — объясняет Владимир Негримовский, заведующий лабораторией водородной энергетики. — Для этих же целей можно использовать незадействованные мощности АЭС. Таким образом, мы получим практически бесплатный источник энергии. Кроме того, если сжигать не чистый природный газ, а в смеси с водородом, можно резко сократить выбросы CO2 в атмосферу».

Одним из направлений, развиваемых в лаборатории, является длительное хранение водорода в химически связанном виде. С помощью специально подобранных катализаторов можно «заставить» молекулу толуола присоединить три молекулы водорода, при этом получится метилциклогексан — циклическая шестичленная молекула с одним метильным заместителем. По своим свойствам это вещество близко к привычному углеводородному топливу, а потому для его хранения и транспортировки может быть использована уже существующая инфраструктура. По мере необходимости водород в ходе другого каталитического процесса можно из метилциклогексана извлечь и направить на окисление в топливном элементе. Таким способом водород можно хранить гораздо компактнее, чем в чистом виде.

 

ТОТЭ — то, что нужно!

Запасенный водород можно просто сжечь в кислороде, но при этом всего 30% от возможной энергии будет доступно для потребителя. Используя твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), можно поднять эффективность окисления до 50–60% по электроэнергии и даже до 90% по суммарной энергии, включающей электрическую и тепловую. 

Сотрудники лаборатории топливных элементов в тесном сотрудничестве с Институтом физики твердого тела РАН разработали и запатентовали трехслойную конструкцию мембраны — наиважнейшего элемента ТОТЭ. 

Новая конструкция позволяет добиться одновременно прочности и гибкости топливного элемента (меньше риска, что пластина сломается при механических нагрузках, возникающих при изготовлении ТОТЭ и при сборке батарей), а также высокой ионной проводимости. Задача мембраны — изолировать друг от друга воздух и топливо, но пропускать ионы кислорода. Толщина одного мембранно-электродного блока ТОТЭ — не более 250 мкм, размер 10×10 см, выдаваемая электрическая мощность — 20–25 Вт, тепловая мощность сравнима. Примечательно, что для ТОТЭ подходят самые разные виды топлива от чистого водорода до угарного газа и различных углеводородных соединений: метан, пропан-бутан, диметиловый эфир и даже дизельное топливо.

Отдельные блоки ТОТЭ (слева) и собранная из них батарея (справа). Фото из лаборатории топливных элементов МФТИ

Плоские топливные элементы можно собрать в батарею, «кубик» размером около 15×15×15 см, мощностью 500–600 Вт.  Чтобы получить большую мощность, в одной энергоустановке может использоваться несколько батарей.  Особенностью работы ТОТЭ являются высокие рабочие температуры до 850 °С. Чтобы разогреться, генератору требуется около 10 часов, зато потом он будет работать несколько лет.

«В автономных энергосетях в качестве источника электроэнергии используются в основном дизель-генераторы, однако они требуют замены масла через каждую тысячу часов. А ТОТЭ работает 10–20 тысяч часов без обслуживания»,  — подчеркивает преимущества заведующий лабораторией топливных элементов Дмитрий Агарков.

 

Пока мы едины — мы непобедимы!

Новые технологии порождают новые вопросы. В структуру изолированных энергосистем энергоснабжения в качестве основных генерирующих мощностей могут входить дизель-генераторы, мини-ГЭС, микротурбины, электростанции на биотопливе, ветрогенераторы, фотоэлектрические преобразователи и так далее. Для того, чтобы все это объединить в работающую слаженно систему, нужен «дирижер», учитывающий неравномерность выработки электроэнергии возобновляемыми источниками, прогнозирующий электропотребление, определяющий, когда и в каком виде запасать энергию, когда ее отдавать. Это серьезная задача на разных уровнях — со стороны как «железа», так и «софта». Для ее решения при НТЦ был создан Инжиниринговый центр «Арктическая автономная энергетика».

Игорь Озерных, главный конструктор Инжинирингового центра:

— Большая энергетика во всем мире претерпевает кризис, она должна реформироваться в ответ на изменение экономики и энергопотребления. Пришло время так называемой интеллектуальной энергетики, которая будет строиться на основе микросетей (микрогридов), на основе возобновляемых источников энергии и накопителей. Поэтому результаты, которых мы достигнем в Арктике, крайне важны для будущего.

Электрификация страны

Труднодоступность Арктики делает рентабельной разработку альтернативных методов генерации, даже если на «большой земле» они кажутся неоправданно дорогими. Таким образом, этот регион может стать стартовой площадкой для апробации надежных автономных электростанций. По мере накопления опыта и перехода к массовому производству технологии будут дешеветь, что позволит распространить их и в других регионах России.