Энергоснабжение научно-исследовательских комплексов в Арктике

Альтернативная энергетика

В современной архитектурной практике использование технологий альтернативной энергетики, предполагающих преобразование энергии возобновляемых экологически чистых источников, не ново и никого не удивляет. Сегодня это обычный раздел любого проекта, претендующего на соответствие зеленым стандартам и получение сертификата устойчивого объекта.

Однако электростанции, работающие на альтернативных источниках энергии, как правило, сильно зависят от тех или иных климатических и погодных условий: направление и сила ветра, продолжительность и интенсивность солнечного излучения и т. п. В результате главный недостаток альтернативных электростанций не их малая мощность, а то, что они не могут поддерживать заданную нагрузку в постоянном режиме.

Рис. 1 Принципиальная схема разреза комплекса

В арктическом регионе уже эксплуатируются экспериментальные маломощные солнечные (СЭС), ветряные (ВЭС) и приливные (ПЭС) электростанции: 14 СЭС и 28 ВЭС, причем 15 из них – это комбинированные вертосолнечные станции. Генерируемой мощности некоторых из них хватает лишь на покрытие бытовых услуг. Например, расположенные на Кольском полуострове комплексные ветросолнечные установки обеспечивают работу таксофонов.

Однако с наступлением полярной ночи СЭС становятся полностью бесполезными. ВЭС же показывают стабильную работу только при скорости ветра от 6 м/с, что сильно сужает диапазон их размещения. Поэтому расположенный близ арктического поселка Тикси ветропарк, насчитывающий три ветроустановки общей мощностью 900 кВт, нельзя считать надежным объектом, генерирующим энергию.

Особенности арктического региона

Арктический регион можно охарактеризовать, как исключительно богатый природными ресурсами. Около 80 % запасов арктической нефти и более 90 % арктического природного газа находится на территории России. Точно оценить запасы углеводородов сложно, но большинство прогнозов сходятся во мнении, что их достаточно для обеспечения энергией населенных пунктов в ближайшем будущем.

Однако энергоснабжение отдаленных труднодоступных арктических территорий имеют свои особенности. Ввиду сурового климата здесь имеется низкая плотность населения: средний показатель – 0,63 человека на км². Численность проживающих в Арктике не превышает 2,3 тыс. человек, а это всего 1,6 % от населения России. И таких территорий очень много, например арктические архипелаги, такие как Земля Франца-Иосифа или Новосибирские острова, где мало полезных ископаемых, а вечная мерзлота и низкие температуры наружного воздуха значительно осложняют изыскательные работы.

Несмотря на все экстремальные условия, такие острова имеют стратегическое значение для России. Однако строительство на них военных городков и аэродромов сталкивается с серьёзной проблемой их энергоснабжения.

Наиболее распространенный источник энергоснабжения – дизельная электростанция. Ими оборудованы многочисленные станции как в Арктике: "Остров Голомянный", "Обсерватория имени Эрнста Кренкеля", так и все российские антарктические станции: "Восток", "Прогресс", "Мирный" и др.

В основном топливо для арктических электростанций завозится с материка. Однако логистика региона осложняется таким явлением, как высокая ледовитость.

В летнее время некоторые прибрежные территории освобождаются ото льда (припая), но центральные водные пространства скованы льдом постоянно, т. е. в той или иной степени во всех акваториях Северного Ледовитого океана на протяжении года присутствуют льды. Толщина льда варьируется от 2 до 5 м. Преодолеть преграду неподвижного льда может только ледокол. Очевидно, что использовать ледоколы для постоянной навигации в многочисленные пункты – весьма дорого.

То же можно сказать и об авиации. Также стоит принимать во внимание характеристики региона, не позволяющие проводить навигацию и передвижение круглогодично.

Р и с . 2 П л а н к о м п л е к с а н а о т м е т к е - 9 . 3 0

Стоит особенно отметить пагубное воздействие на экологию от металлических отходов, образующихся при разрушении контейнеров, в которых осуществляется перевозка топлива для дизельных электростанций. По данным Министерства обороны РФ за период с 2016 по 2019 годы предстоит очистить территорию Арктики от почти 4 тыс. тонн металлолома.

Р и с . 3 П л а н э л е к т р о с т а н ц и и н а о т м е т к е + 5 . 7 8 .
Ма ш и н н ы й з а л

Кроме того стоит упомянуть о повышенной опасности возгораний на дизельных электростанциях. Например в апреле 1982 года, когда транспортное сообщение было уже закрыто, на советской антарктической станции "Восток" в результате неустановленной причины возник пожар, в результате которого три генератора были уничтожены и станция лишилась источников энерго-снабжения и связи.

Анализируя вышесказанное, становится очевидным, что для освоения арктических территорий необходим альтернативный источник энергии, независящий от привозимого топлива, и не такой как СЭС и ВЭС с их непостоянной нагрузкой, зависящей от активности солнца и силы ветра.

Р и с . 4 . П л а н э л е к т р о с т а н ц и и н а о т м е т к е + 9 . 7 0 .

Главная идея проектного предложения состоит в формировании из небольших малофункциональных научно-исследовательских станций объектов нового типа – научно-исследовательских комплексов с расширенной системой дополнительных пространств и функций. В данном проекте энергоснабжение комплекса предлагается осуществлять посредством автономной гидротермальной электростанции.

Реализовать проект предполагается на острове Котельном, входящим в группу Новосибирских островов (Якутия). Архипелаг Новосибирских островов расположен на значительном удалении от крупных населенных пунктов и источников энергоснабжения, на самих островах нет даже коренного населения, только военная база.

Р и с . 5 П р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а б л о к а р е з е р в у а р о в
с в о д о й и в о з д у х о м

Научно-исследовательский комплекс (далее – комплекс) состоит из трех основных объемов: главного рабочего здания, склада и электростанции. Каждый объем имеет причал, на берегу расположена вертолетная площадка. Возведение всех объемов предусматривает наличие опор, закрепленных ниже уровня воды, что сопряжено со спецификой проводимых научных работ по океанологии и гидрографии, особенностями работы электростанции, а также использованием преимущественно водного транспорта для передвижений.

Коммуникация между объемами осуществляется посредством подводного перехода, расположенного ниже сезонного уровня промерзания вод, чья треугольная в плане форма придает пространственную жесткость комплексу. Главное рабочее здание имеет десять уровней, вмещающих технический этаж, общественные помещения, научные кабинеты и лаборатории и жилые ячейки. Венчает здание маяк.

Расположение уровней по вертикальной оси обусловлено климатическими условиями региона, а также большим количеством помещений, которым необходима естественная инсоляция.

Основной задачей проектирования стало энергоснабжение комплекса. Поскольку комплекс расположен на острове, со всех сторон омываемом морями: с запада морем Лаптевых, а с севера, востока и юга Восточно-Сибирским морем, то решено было использовать энергию воды, посредством гидротермальной электростанции (см. справку).

Арктический климат и сравнительно небольшие размеры комплекса не позволяли устанавливать гидро-термальную электростанцию (далее – ГидроТЭС) большой мощности, поскольку это требовало трубы большого диаметра для забора воды с глубины (см. справку). Поэтому было решено организовать работу ГидроТЭС на температурном градиенте между холодной морской водой и ещё более холодным атмосферным воздухом.

Р и с . 6 П р и н ц и п и а л ь н а я с х е м а с и с т е м ы т р у б , р е з е р в у а р о в и т у р б и н ы

В процессе работы ГидроТЭС холодная вода закачивается насосами с глубины и поступает в расположенные попарно резервуары, граничащие с ещё более холодным воздухом. Разница между этими температурными контурами используется рабочим веществом, температура замерзания которого ниже, чем у воды. Сжимаясь и расширяясь, рабочее вещество непрерывно циркулирует в трубах между резервуарами, и вращает вырабатывающую электричество турбину.

ГидроТЭС довольно перспективны. При относительно компактных размерах, они могут работать непрерывно в автономном режиме. Нужно только запустить процесс. Кроме того ГидроТЭС практически не зависит от внешних условий, что выгодно отличает её от СЭС и ВЭС. При грамотной эксплуатации гидротермальные электростанции экологически безопасны, ведь в процессе своей работы они не выбрасывают в атмосферу вредные углекислотные газы.

Предлагаемое решение предназначено именно для небольших, автономных объектов, таких как научно-исследовательский комплекс. В мировой практике уже известно создание станций с нулевым выбросом, чьи энергозатраты полностью покрываются работой альтернативных источников энергии (антарктическая станция "Принцесс Элизабет", Бельгия). Для уникальной и хрупкой арктической экосистемы создание подобных станций можно оценивать как крайне необходимое.

1. Под ред. Алексеева Г. В. Формирование и динамика современного климата Арктики;. - СПб. : Гидрометеоиздат, 2004.

2. Под ред. Н. Н. Исанина Морской энциклопедический справочник. — Л.: Судостроение, 1987.

3. Доронин Ю. П. Взаимодействие атмосферы и океана - Л. : Гидрометеоиздат, 1981. - 288 с.

4. Некрасов А. В. Энергия океанских приливов. - Л. : Гидрометеоиздат, 1990. - 287 с.

5. Ястребов В. С. Методы и технические средства океанологии - Л. : Гидрометеоиздат, 1986. - 271 с