Преимущественные виды альтернативных источников энергии в арктическом регионе России

Освоение ледяных просторов Арктики требует энергетических ресурсов, но традиционные источники нежелательны вследствие чрезвычайной уязвимости ее экосистем: холодный климат самоочищающую способность биосферы сводит практически к нулю, нарушенные земли практически не восстанавливаются. Следует ожидать бурю противодействий и нареканий со стороны наших зарубежных партнеров, включая штрафные санкции, о возможном загрязнении окружающей арктической среды вследствие активной хозяйственной деятельности России, поскольку именно Арктика является «кухней погоды» всего Северного полушария. Противопоставить свою позицию этому давлению Россия может только в случае активного использования альтернативных источников энергии в Арктическом регионе, поэтому выбранная тема исследований весьма актуальна и своевременна. Авторы статьи исследуют типы возобновляемых источников энергии, дают оценку возможности использования ВИЭ в Арктическом регионе Российской Федерации, а также, сравнивают преимущества использования ВИЭ по сравнению с традиционными источниками энергии.

Россия - крупнейшее арктическое государство. Своей историей и основными жизненными интересами она связана с Арктикой и Севером. В соответствии с решением Государственной комиссии Ненецкий, Ямало-Ненецкий, Таймырский, Чукотский автономные округа, три административных района Мурманской области и пять в Республике Саха - Якутия принадлежат арктическим территориям (рис. 1).

Рисунок 1. Арктическая зона России и области вечной мерзлоты

В настоящее время к районам Крайнего Севера и приравненным к ним местностям полностью отнесены 16 и часть 11 субъектов Федерации с площадью более 11 млн. кв. км, что составляет более 60% территории России. В Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) создается 12-15% ВВП страны, обеспечивается около четверти экспорта России. Здесь добывается 95% газа, 75% нефти, 90% олова, основная часть золота и алмазов. 8% россиян, проживающих на территории Крайнего Севера, производят 1/5 национального дохода, обеспечивают почти 2/3 валютных поступлений. При этом, более 60 % территории России на востоке не имеет энергетической структуры, либо имеет автономное энергоснабжение (рис. 2).

Рисунок 2. Виды энергоснабжения в России, где (ДЭС) - число дизельных электростанций населенных пунктов по регионам, ежегодная выработка

При сравнении рисунков 1 и 2 видно, что эти регионы по площади совпадают с зоной вечной мерзлоты и даже превосходят ее. Включать отдаленные друг от друга поселки, метеостанции и т.п. в единую энергосеть нерентабельно, поскольку первый же буран приведет к обрыву проводов, гарантируя гибель местных жителей в течение нескольких часов в случае отсутствия других видов топлива. Эти регионы традиционно отапливаются завезенным дизельным топливом. Ежегодно они производят около 2,54 млрд кВт*ч в год и потребляют около 1 млн тонн топлива. Цена завоза по разным источникам колеблется от 1,5 до 2,0 млрд. руб. в год, т.е. обходится государству в немалую сумму. Следовательно, нужно иметь на местах надежные и недорогие альтернативные источники энергии, которые в наших экстремальных климатических условиях могли бы сократить завоз дизеля хотя бы вдвое. Хотя, альтернативной энергии в России достаточно даже по сравнению с наиболее передовыми странами мира, учитывая гидро- и атомную энергии (Таблица 1), и с точки зрения потребления углеводородов наша энергетическая корзина более экологична, поскольку в основном мы используем газ, следует внимательно рассмотреть возможности развития экологически чистой энергии на территории российской Арктики.

Наиболее модными и активно развиваемыми на Западе в настоящее время являются солнечные и ветровые электростанции. Но подходят ли они к нашим условиям, давайте разбираться.

Таблица 1. Виды энергоресурсов, потребляемые в России, США и Китае составлено авторами по данным

Развитие ветроэнергетики экономически рентабельно в природных ландшафтах, где среднегодовая скорость ветра превышает 6 м/сек. В наших условиях (рис. 3) наиболее перспективными районами для ветроэнергетических проектов являются морские побережья, степные районы Поволжья и юг Европейской части России. Но практически не бывает альтернативных источников энергии без негативного влияния на окружающую среду.

Рисунок 3. Зоны распределения среднегодовых скоростей ветра по территории России на высоте флюгера

Если скорость ветра ниже 6 м/сек – установки отключают, если скорость ветра слишком велика – установки тоже следует отключать, иначе они сломаются. Кроме того, во время работы этих установок создаются излишние шумы и сильные вибрационные и электромагнитные явления. Следовательно, как и около ЛЭП, соблюдая жесткие экологические требования, ветроэнергетические установки нельзя размещать ближе полутора – двух км от селитьбы, а в полях вокруг них нельзя пасти скот, выращивать сельскохозяйственную продукцию. Но, позвольте, наши степные районы – это житница теперь уже не только России, но в последние годы, и многих стран мира, страдающих от недостатка сельхоз угодий и воды для полива. Может быть следует использовать наши сельскохозяйственные земли южных широт по прямому назначению, не отторгая огромные пространства под ветропарки? Что касается морских побережий, то основная их часть – это моря Северного Ледовитого океана и северной части Тихого, где часто наблюдаются сильные ветра, снежные заносы, обледенение лопастей и имеются трудности доставки не только ветроустановок, закупаемых, как правило, за рубежом, но и элементарного бетона, песка и гравия для установки оснований конструкций данного вида. К тому же, в приполярных областях из-за непогоды ветряки часто ломаются.

Что касается солнечных батарей, то следует помнить, что в течение полугода в Арктике имеет место полярная ночь, а получать энергию от света звезд мы пока не научились. Вследствие того, что Россия северная страна, даже в средних своих широтах общий уровень инсоляции у нее довольно слабый (Рис. 4).

Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиации южных регионов. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВТ-час/м2, тогда как в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) данный показатель равен 1290 кВт-час/м2. Что касается экологии, цитирую «Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования». Итак, «во время активной фазы использования». Но ведь установку надо создать, и еще ее надо утилизировать. Существует ряд недостатков применения солнечных установок, которые касаются территории, занимаемой Россией:

Рисунок 4. Карта солнечного излучения

• Зависимость от погоды (например, полярная ночь, снежные заносы, угол падения солнечных лучей) и времени суток. Возможная выработка энергии уменьшается из-за затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли в степных районах, где часто наблюдаются пыльные бури и из-за снегопадов, которые имеют место во всех уголках РФ.

• При промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных электростанций (ЭС) маневренными ЭС сопоставимой мощности.

• Сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах. Как следствие, необходимость аккумуляции энергии.

• Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур), а также канцерогенных элементов (например, ртути).

• Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.

• Нагрев атмосферы над электростанцией. Можно себе представить, что происходит в насекомыми и птицами, попадающими в зону нагрева атмосферы над мощной солнечной ЭС вот такого типа (Рис. 5) или даже не достаточно мощной ЭС такого типа (Рис. 6). Также солнечные ЭС дезориентируют птиц в полете: они могут разбиться, ударившись о солнечную панель. В дополнение, следует упомянуть мнение: «Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно)».

Рисунок 5. Солнечная ЭС



Рисунок 6. Параболоцилиндрические концентраторы солнечной энергии

Суммируя вышесказанное, возникает вопрос, почему упор у нашего бизнеса по развитию альтернативной энергетики делается именно на ветропарки и солнечные ЭС, не потому ли, что в этом случае есть возможность беспрепятственного вывоза за рубеж валюты для закупки дорогого оборудования? Нет сомнения, что в России нужно развивать и совершенствовать технологии производства солнечных и ветровых установок с тем, чтобы идя на опережение, продавать их в страны, природные условия которых больше подходят для получения такой энергии, а также для отдельных хозяйств.

В нашем понимании, огромное значение для энергетики будущего имеет извлечение тепловой энергии, практически неисчерпаемых, петротермальных ресурсов. Эта «геотермальная энергия, заключенная в твердых "сухих" горячих породах и составляет около 99% от общих ресурсов подземной тепловой энергии. С движением в глубину температура с некоторого уровня начинает подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной – около 2,5⁰С на каждые 100 м. На глубине до 4–6 км горячие породы с температурой 100–150°С распространены почти повсеместно, а с температурой 180–200°С на довольно значительной части России. Этого вполне достаточно для целей теплоснабжения не только в арктических регионах, но и большей части РФ.

Обидно, что именно нашим ученым принадлежит идея извлечения основных петротермальных ресурсов, заключенных в твердых породах: она была высказана еще в 1914 г. Э.К. Циолковским, а в 1920 г. петротермальная циркуляционная система (ПЦС) в горячем гранитном массиве описана академиком В.А. Обручевым. К сожалению, в России она не получила развитие, а подхватили эту идею за рубежом. Первая ПЦС извлечения тепла пористых пластов для отопления была создана в 1963 г., в Париже. В настоящее время в США на основе ПЦС осуществлено более 224 проектов петротермального теплоснабжения. Допускается, что геотермальные ресурсы могут обеспечить основную часть перспективных потребностей США в тепловой энергии для неэлектрических нужд.

• В настоящее время исследования и разведка геотермальных ресурсов ведутся в 65 странах мира.
• Актуальную поддержку в освоении геотермальной энергии оказывает ООН и ЮНЕСКО.
• Расчеты показывают, что за год из одной скважины можно получить столько тепловой энергии, заключенной в петротермальных теплоносителях, сколько выделяется при сгорании 158 тыс. т угля.

«Принцип работы геотермального отопления напоминает обычный холодильник, только наоборот. Земля сохраняет тепло постоянно, можно нагревать объекты, находящиеся на ее поверхности. Например, когда температура на улице составляет 30 град. ниже нуля, в земле не тронутой вечной мерзлотой на глубине 30 м она постоянно держится на отметке, примерно, 10 град. тепла по Цельсию. Геотермальный насос прогонит холодную воду по земляному контуру и вернет в дом теплую (рис. 7)».

В условиях же вечной мерзлоты (она распространяется на территории России до глубины 1,5 км, глубина скважин определяется петротермальными условиями и требованиями потребителя в энергетике. Для нужд теплоснабжения необходимая глубина скважин на всей территории страны лежит в пределах 3–4,5 км и не превышает 5–6 км. Промышленное использование петротермальной энергии будет налажено прежде всего в местах с повышенным температурным градиентом, т.е. там, где на глубине не более 2 км температура 80-100°С. Такие зоны обнаружены в Предкавказье, на плоскогорьях Дальнего Востока, - районах, где потребности в энергии очень велики.

Проблемой извлечения и использования неисчерпаемой глубинной тепловой энергии горячих пород Земли на территории России группа российских ученых и специалистов занимается не один год. Целью работы группы – создание на основе отечественных передовых технологий высокоэффективных технических средств для глубокого и сверхглубокого проникновения в недра земной коры. В России потенциал петротермальной энергии оценивается в 3500 трлн. т условного топлива.

Рисунок 7. Принцип работы петротермальной ЭС

Накопленный во многих странах мира опыт использования геотермальных теплоносителей показывает, что в благоприятных условиях они оказываются в 2-5 раз выгоднее тепловых и атомных энергоустановок. Расчеты показывают, что за год одна геотермальная скважина может обеспечить замещение 158 тыс. т угля. В настоящее время разработано несколько вариантов буровых снарядов (БС) "ноу-хау". Такие буровые снаряды создаются впервые. Аналогов в мировой практике нет.

Работа первого варианта БС связана с действующей традиционной технологией бурения скважин. Скорость бурения твердых пород (средняя плотность 2500–3300 кг/м3) до 30 м/ч, диаметр скважины 200–500 мм.

Второй вариант БС осуществляет бурение скважин в автономном и автоматическом режиме. Запуск БС осуществляется со специальной пускоприемочной установки, с которой и ведется управление его движением. Этот снаряд сможет пройти в твердых породах 1000 м в течение нескольких часов. Диаметр скважины от 500 до 1000 мм. Варианты БС многоразового использования обладают большой экономической эффективностью и огромным потенциалом. Внедрение их в производство позволить открыть новый этап в строительстве глубоких и сверхглубоких скважин и обеспечить доступ к неисчерпаемым источникам тепловой энергии Земли.

Температура теплоносителя для нужд жилищно-коммунального теплоснабжения не выходит за пределы 150°С. Для промышленных объектов температура, как правило, не превышает 180–200°С, а для выработки электроэнергии – 220–250°С. Срок службы геотермальных тепло- и электростанций составляет около 40 лет, срок окупаемости – 3 года.

Цель создания таких станций – обеспечение постоянными, доступным дешевыми теплом и электроэнергией отдаленных, труднодоступных неосвоенных и нуждающихся в энергетике районов РФ. На рисунке 8 представлен разброс цен на виды электроэнергии, в том числе геотермальной энергии, которая включает в себя и гидротермальную энергию. На самом деле, цены на петроэнергию в 3-6 раз ниже геотермальной.

Преимущества петротермальной энергии:

• повсеместное распространение; неисчерпаемость;

• приближенность и приспособляемость к потребителю;

• сравнительно низкая капиталоемкость;

• относительно низкая трудоемкость разработки; безотходность;

• безопасность в эксплуатации; экологическая чистота.

Недостатки:

• нетранспортабельность,

• невозможность складирования, и, самое главное,

• отсутствие опыта промышленного использования в России».

Районы обеспечения потребителей теплом ограничиваются радиусом 10–15 км. В особо благоприятных условиях обеспечение потребителей теплом может достигать – 25–50 км, но этого достаточно для небольших поселков и даже городов Крайнего Севера. Как видим, преимуществ значительно больше.

Рисунок 8. Нормативная стоимость различных видов электроэнергии (долларов/МВт/ч)

Две трети территории России вполне возможно снабдить таким станциями. Надо полагать, что это один из главных источников энергии в ближайшем будущем. Поэтому, Российской Федерации как арктическому государству развитие такого потенциала энергии крайне необходимо. Создание новой отрасли дает возможность экономить около 1 млрд. т органического топлива в год.

Экономия по нашим расчетам может составить 3–5 трлн. руб.

В срок до 2030 г. возможно создать энергетические мощности по замене до 30% огневой энергетики, а до 2050 г. почти полностью исключить органическое сырье в качестве топлива из энергетического баланса Российской Федерации.

Вывод:

России нужно сосредоточиться на развитии петроэнергетики, Не следует слепо следовать за модой, беря пример с Западных стран, которые находятся в совершенно других климатических условиях, более благоприятных, по сравнению с Россией, хотя бы благодаря бесплатному обогреванию этих стран Гольфстримом и многим-многим другим параметрам.

Литература:

1. Гнатусь Н.А. и др. Петротермальная геоэнергетика и геофизика //Вестн. Моск. ун-та. Сер 4. Геология 2011. № 3.

2. Гнатусь Н.А. и др. Тепло Земли согреет малые города // Мировая энергетика. 2009. № 1.

3. Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли -основа будущей теплоэнергетики //Новости теплоснабжения. 2006. № 12 (76)
   
   
4. Стратегия социально-экономического развития Дальнего Востока и Байкальского региона на период до 2025 года. УТВЕРЖДЕНА распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2009 года N 2094-р.
   
   
5. British Petroleum Statistical Review of the World Energy. 67th Edition. 2018.
   
   
6. Loster M., Friedrich K., Scherson D.A. Assembly and electrochemical characterization of nanometer-scale electrode|solid electrolyte interfaces (J) Phys Chem B 2006 Sep;110(37):18081-7 Center for Solar Energy and Hydrogen Research, Division 3, Helmholtzstrasse 8, Ulm, Germany.