Ветром навеяло. Политехники знают, как согреть российский Север.

Тем, кто хоть раз побывал в Заполярье, не надо объяснять, что такое северный завоз. В короткий период летней навигации завозить приходится все — продукты питания, стройматериалы, лекарства, школьные учебники… А главное — топливо для дизельных электростанций (ДЭС) и котельных в разбросанных по бескрайним просторам Севера населенных пунктах. Для двух третей территории России, не охваченных централизованным энергоснабжением, именно ДЭС, работающие на привозном топливе, служат источником электроэнергии, тепла и света. Как бы пафосно это ни звучало, источником жизни.

Возникает естественный вопрос: почему же не использовать в качестве топлива нефть и газ, которыми столь богаты северные недра? Увы, несложные расчеты показывают, что в условиях бездорожья, вечной мерзлоты и сурового климата протянуть трубу от месторождения углеводородов до условного поселка обойдется раз в сто дороже, чем доставить в тот же поселок с материка очередную партию бочек с горючим. Соответственно, срок окупаемости такого трубопровода составит не менее века. Вот и “украшают” незатейливые северные ландшафты нагромождения тех самых бочек.

Директор научно-образовательного центра “Возоб­новляемые виды энергии и установки на их основе” Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого профессор Виктор Елистратов впервые увидел этот “пейзаж с бочками” на Чукотке в 1997 году. Тогда губернатор Чукотского автономного округа попросил политехников проработать вопрос энергоснабжения поселков на левом берегу Анадырского залива. Изучив природные ресурсы региона, те предложили смонтировать на мысе Обсервации в поселке Шахтерский ветростанцию мощностью 1 МВт. Разработали проектно-технологическую документацию и даже подготовили обоснование инвестиций. Увы, проект не состоялся ввиду отсутствия гарантий федеральных и региональных властей на получение кредита. Уже в то время Елистратов и его коллеги через Госдуму добивались законодательного обеспечения развития северных территорий с использованием возобновляемых источников энергии, но сразу не преуспели (так, Закон об электроэнергетике с дополнениями об использовании возобновляемых источников энергии был принят в 2006 году). Хотя при следующем губернаторе Чукотки ветростанция в Шахтерском все-таки появилась…

Дело, разумеется, не в одном поселке. По оценке Российского энергетического агентства, на северных территориях действуют около 900 ДЭС, вырабатывая 2,54 миллиарда кВт·ч электроэнергии в год. Ежегодно они потребляют около 1 мил-

лиона тонн топлива. При этом многие ДЭС морально и физически устарели, что отнюдь не обещает надежности энергоснабжения. А чтобы ее повысить, требуется значительный “горячий” резерв, отсюда избыточный расход топлива. В результате стоимость производимой энергии на “северах” находится в диапазоне 15-150 рублей за 1 кВт·ч, а иногда достигает 300-400 рублей! 

Конечно, северяне получают электроэнергию по льготному тарифу, но происходит это благодаря компенсациям из бюджетов и перекрестному субсидированию: финансовое бремя перекладывается с бытового сектора на промышленные предприятия, что ведет к перекосам в развитии экономики. Наконец, выбросы продуктов сгорания топлива в ДЭС (ежегодно 40 миллионов тонн углекислого газа, 80 тысяч тонн окисей серы, 600 тысяч тонн окисей азота) наносят значительный ущерб окружающей среде и здоровью населения.

Хотя северный завоз и выглядит неизбежностью, многие научные и инженерные коллективы за последние десятилетия бросали ему вызов. Самые горячие головы предлагали построить цепочки ветропарков вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Безусловно, ветроэнергетический потенциал заполярных территорий огромен. Но структура и мощность здешних потребителей существенно различаются, а у энергии ветра при всех ее бесспорных преимуществах есть серьезный недостаток — это весьма нестабильный ресурс. Вдобавок обслуживать такие парки должны квалифицированные специалисты, которыми отдаленные регионы не располагают. 

В СПбПУ, где уже почти век изучают как традиционные, так и возобновляемые источники энергии, похоже, нашли золотую середину в их использовании. В целях повышения надежности и эффективности автономного энергоснабжения политехники предложили и исследовали оригинальную технологию. Суть ее в применении удобных для монтажа энергомодулей мощностью 250-400 кВт. 

Что входит в состав типового модуля? Во-первых, компактная отечественная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) мощностью 50-100 кВт, адаптированная к северным природно-климатическим условиям и реалиям транспортной логистики. Во-вторых, дизель-генератор мощностью 200-300 кВт. В-третьих, интеллектуальная система управления этой уже не ДЭС, а ВДЭС (ветродизельной электростанцией), позволяющая перераспределять нагрузку между составляющими модуля в соответствии с переменным графиком потребления. Наконец, система аккумулирования энергии ветра в виде электрохимических батарей, которая может быть дополнена суперконденсатором для выравнивания кратковременных перепадов нагрузки.

Чем подкупает модульный принцип? Практичной оптимальностью параметров, отказом от гигантизма, ориентацией на конкретного потребителя (под запрос которого варьируется количество модулей). При этом свыше 50% привозного дизельного топлива замещается “дешевым и сердитым” местным сырьем — северным ветром. 

В России не было опыта создания подобных “заточенных” под требуемое потребление энергокомплексов как альтернативы северному завозу. Так что реализуемый в рамках ФЦП Минобрнауки РФ проект “Разработка методов и интеллектуальных технологий автономного энергоснабжения на основе традиционных и возоб­новляемых источников энергии для суровых климатических условий” призван был доказать, что северный ветер пусть и свиреп, но при умелом обращении полезен. 

Индустриальный партнер проекта — производственно-инжиниринговая компания “Президент-Нева. Энергетический центр” — известен как раз своими разработками в области аварийного, резервного и автономного энергоснабжения на основе традиционных источников энергии. Как видно, альянс получился гармоничным.

Но “ответственные за ветер” авторы концепции унифицированных модулей должны были разработать методику достоверной оценки ресурсов возобновляемых источников энергии в местах размещения ВДЭС. Имевшиеся карты, атласы и кадастры ветров России давали им лишь интегральную, качественную картинку, без детализации даже по регионам. 

С учетом дефицита исходной природно-климатической информации о северных регионах ученые предложили решать задачу в три этапа. На первом черпали сведения из атласов для предварительной оценки ветропотенциала территории. На втором и третьем привлекали данные спутниковых наблюдений за атмосферой с шагом порядка 200 км, проводили мезомасштабное и микромасштабное моделирование ветрового потока. Результат: карта высокого разрешения, позволяющая выбрать оптимальную площадку для строительства ВДЭС с точностью до 50 м. 

Эта методика уже применена при сооружении ВДЭС в поселке Амдерма Ненецкого автономного округа. Почему именно в НАО? В округе принята Стратегия энергоэффективности до 2020 года, в которой сказано, что основополагающей для НАО будет “гибкая схема, которая совмещает различные генерирующие и энергосберегающие технологии”. А из альтернативных источников “наиболее предпочтительным является использование энергии ветра”. Так что ветродизельная система энергоснабжения явно пришлась в НАО ко двору. 

В конце августа этого года первая в рамках программы ВДЭС в поселке Амдерма построена и введена в опытно-промышленную эксплуатацию. Политехники обеспечивали научно-техническое обоснование ее проектирования и создания. В составе станции четыре ветроагрегата мощностью 50 кВт, они интегрированы с дизель-генератором с помощью интеллектуальной системы управления. Оборудование адаптировано не только к природно-климатическим условиям, но и к транспортно-логистической инфраструктуре, что обеспечило его транспортировку и бескрановый монтаж. Только для этой ВДЭС ожидаемый эффект за счет сокращения объема привозного топлива на 40% и внедрения экономически обоснованного тарифа составит 45 миллионов рублей, объемы выбросов СО2 должны снизиться на 600 тонн в год.

— Сегодня мы на пороге нового длительного цикла развития, который можно назвать “зеленым”, постепенно дополняющим традиционные способы производства электроэнергии, — говорит научный руководитель проекта академик Михаил Федоров. — Эффективность этих технологий вытекает из снижения объемов дальнепривозного топлива и стоимости производимой электроэнергии, а значит, и тарифа для промышленных потребителей, что снизит себестоимость производимой ими продукции. Но просчитать ее сложно из-за перекрестного субсидирования потребителей и несовершенной региональной нормативной базы. Для реализации таких проектов надо подключать механизмы государственно-частного партнерства и энергосервисных контрактов. 

Несколько лет назад политехники разработали похожий проект для муниципального предприятия по переработке оленины в Ямало-Ненецком автономном округе. К действующей дизельной станции предполагалось пристроить два ветроагрегата мощностью по 100 кВт. Жаль, у региона не хватило денег, чтобы построить эту ВДЭС (да и с разработчиками толком не рассчитались). Теперь логично было бы заняться тиражированием этих проектов для других северных территорий с применением уже накопленных знаний.

Ясно, что внедрение умных ветроэнергетических модулей в масштабах страны сулит немалый экономический эффект, сократит выбросы в атмосферу парниковых газов и вредных примесей. Кроме того, применение местных возобновляемых источников повышает энергетическую безопасность регионов: они переходят на самообеспечение. И конечно, сократится количество бочек, загрязняющих приполярную природу. Все-таки пейзаж с ветроустановками — куда более симпатичная примета человеческой деятельности, чем свалки.