Проект развития ветроводородной энергетики на Урале

ВОЛКОВ Владимир Анатольевич, председатель исполнительного комитета Межрегиональной ассоциации экономического взаимодействия «Большой Урал»:

— Предлагаемый к реализации проект «Ветроводородный ДМЭ» имеет геополитический характер. Только такие амбициозные проекты способны запустить реальный процесс модернизации экономики России. Проект межрегиональный, в нем будут задействованы многие промышленные предприятия Уральского региона, научные и образовательные учреждения. Для его реализации потребуется координация усилий федеральных и региональных властей. Исполнительный комитет МА «Большой Урал» будет оказывать всяческое содействие в продвижении проекта.

Выражаю благодарность Потапову Алексею Ильичу за инициализацию и разработку проекта, очень важного как для Уральского региона, так и для всей России.

А.И. ПОТАПОВ:

— История освоения российских территорий, с востока примыкающих к Северному Уралу, началась, вероятнее всего, в XV веке. Новгородский книжник XV века, автор сказания «О человецех незнаемых в Восточной стороне», повествующего о земле Мангазее (Молканзе), то есть о бассейнах рек Таз и Пур, расположенных между низовьями Оби и Енисея, передал нам сведения о населявших эту местность ненецких племенах молоканзеи, или молгонзеи. Известно об этом на Руси стало от новгородских воинов, побывавших на Нижней Оби еще в XIV веке, а может быть, и ранее, и поморов — промышленников и мореходов, которые добирались по морю до Обской и Тазовской губ. Кроме Мангазеи в Обско-Енисейском междуречье существовала и страна Балд, где «человеци живут в земле (то есть в землянках), а едят мясо соболи; а иного у них звери никоторого нет, опроче соболна. А носят платие соболие и рукавицы и ногавицы, а иного платиа у них нет, ни товару никоторого». Вот этот соболь и был первым главным ресурсом края, а заодно и источником твердых валютных поступлений для государства.

Однако, несмотря на значительные финансовые потоки в казну в 1619 году, морские плавания в Мангазею были запрещены с главной целью, чтобы «немецкие люди (так тогда называли всех иностранцев: англичан, голландцев, немцев и других) от Пустоозера и Архангельского города в Мангазею дороги не узнали». Государственный интерес, связанный с сохранностью территорий для России, оказался выше сиюминутных выгод. В результате сегодня мы имеем самую богатую в мире нефтегазовую провинцию. Углеводороды пришли на смену соболю и сегодня обеспечивают благополучие страны.

Путь в Мангазею («Мангазейский морской ход») проходил от устья Северной Двины через пролив Югорский Шар к полуострову Ямал, по реке Мутной (теперь Мордыяха), далее сухим волоком (длиной 800—1000 метров) до реки Зеленой (теперь Сеяха), по ней в Обскую губу, далее по реке Таз и волоком на реку Турухан (приток Енисея). Русским мореходам приходилось на пути в Мангазею и обратно преодолевать «непроходимые злые места».

Так, например, в 1626 году коч, нарушивший запрет и шедший из дельты Оби у Русского заворота, отделяющего собственно Обскую губу от Тазовской, застигла «туча с дождем и ветр встречный с сиверу, и парус на коче изодрало, и павозок разбило, и коч с якорей сбило и прибило за кошку и стоялиде они за ветры шесть недель дожидалися пособных ветров».

Вот этот «ветр встречный с сивера» есть следующий и, возможно, главный ресурс этого сурового края. Нагретый солнцем горячий воздух на экваторе поднимается на высоту 15—20 километров и устремляется с огромной скоростью к полюсам Земли, где опускается вниз и продолжает обратное движение к экватору вдоль поверхности, замыкая циркуляцию атмосферы. Помимо главной схемы течения воздушных масс имеется нисходящий поток на широте 30º и восходящий на широте 60º, а также обусловленные вращением Земли и наличием континентов приземные течения — пассаты и циклоны. Полюса являются естественными концентраторами глобальных струйных течений, мощность их огромна (в тысячи раз превышает суммарную мощность всех рек Земли), поэтому использование такого возобновляемого ресурса энергии — важнейшая задача в области энергетики. Однако сплошные территории, заходящие далеко на Север, имеет только Россия (ниже 68-й параллели потоки слабеют), что делает нашу страну крупнейшим держателем коммерческих ветроресурсов.

Понимали это и в СССР, когда задумали построить крупнейшую Ямальскую ветроэлектростанцию (ВЭС) мощностью 6ГВт из 1,5 миллиона небольших ветроэнергетических установок (ВЭУ) единичной мощностью 4 кВт, производства Астраханского завода ВЕТРОЭН. Советский Союз успел произвести всего 1,5 тысячи ВЭУ. За последние 20 лет единичная мощность ВЭУ увеличилась в среднем в тысячу раз, и мировая ветроэнергетика перешла на установки мегаваттного класса. В 2018—2020 годах ветроэнергетика выйдет на второе место в мире среди электрогенерирующих технологий, опередив АЭС и ГЭС.

Проект «Ветроводородный ДМЭ» — это не только бросок за высокоразвитыми державами, он носит опережающий характер. Мощность новой Ямальской ВЭС будет 250 ГВт, что превзойдет суммарную мощность всей остальной энергосистемы России и позволит удвоить электрическую мощность страны за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Базовой станет ветроэнергетическая установка мощностью 8 МВт — самая большая и совершенная серийная ВЭУ в мире (диаметр ветротурбины140 метров, высота до оси вращения120 метров, общая масса свыше 1200 тонн). Однако Ямальская ВЭС 250 ГВт — не только будущее электроснабжения страны и Арктических нефтегазовых шельфовых проектов, но еще и сердцевина водородной технологии. Водород и кислород, произведенные из пресной ямальской воды, наряду с природным газом будут исходным сырьем для ямальских заводов по производству диметилового эфира (ДМЭ), бензина, дизельного топлива и авиакеросина, предназначенных в основном для экспортных целей.

Реализации этого проекта на Ямале способствуют: наличие мощной полярной северо-восточной ветровой геоциркуляции пустынная плоская территория, имеющая минимальное сопротивление ветру наличие высокорентабельного сырья — метана — в зоне полярных ветров компонентный состав природного газа (газоконденсатные месторождения), содержащего свыше 2,1% диоксида углерода и свыше 4% компонентов С2, что позволяет встроить водородный синтез ДМЭ в метановый неограниченные запасы пресной воды, пригодной для электролиза минимальные затраты на обустройство подземных хранилищ газа для водорода и кислорода (выдохшиеся скважины) наличие технологии производства на месте ДМЭ с возможностью постепенного введения в процесс ВЭУ и электролизеров воды самообеспечение строительства топливом самообеспечение добычи и переработки углеводородов электричеством — сборочные сети ВЭС являются одновременно распределительными полная экологическая безопасность по сравнению с проектами сибирских ГЭС и АЭС возросший спрос на жидкие углеводороды и формирование мирового рынка ДМЭ комплекс научно-технических, технологических и управленческих решений, обеспечивающих меньшую удельную стоимость установленной мощности Ямальской ВЭС-250 по сравнению, например, с проектируемой Эвенкийской ГЭС. Кроме того, она будет мощнее в 20 раз.

Практически все предприятия, необходимые для реализации проекта, и технологии, применяемые на них, будут иметь мировой уровень. Проектом предусмотрены:

производство высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон, тонких защитных и газоплотных армированных оболочек, иных изделий из композиционных материалов (КМ) изготовление оборудования комплектных установок производства ДМЭ малой, средней и большой производительности производство материалов матрицы КМ, включая оболочки производство редкоземельных материалов и изделий производство цемента, сер ной кислоты и удобрений из отходов редкоземельного цикла производство элементов башни ВЭУ и специальных свай производство тихоходных генераторов большой мощности на базе редкоземельных металлов (РЗМ) — магнитов для ВЭУ, электрических машин меньшей мощности, магнитных подшипников-разгрузителей производство преобразовательной техники, систем управления и выдачи мощности (два завода) производство цеппелинов (грузоподъемность 32 тонны, габариты груза 70х6х3 метра), грузовых (грузоподъемность 32 тонны, габариты груза 27х3х2,5 метра) и малых экранопланов авиатранспортное предприятие, включающее аэропорты в Копейске и поселке Бованенково производство мембран для электролизеров с твердополимерным электролитом строительно-монтажное предприятие производство инерционных (на углеродной основе) вакуумных электромагнитных аккумуляторов на магнитной подвеске емкостью 1 МВт•ч производство аккумуляторов, двигателей и генераторов на базе РЗЭ, систем управления, двойного питания для электрических и гибридных транспортных средств, производство экологического городского микро-флекс-гибрида (тяга на ДМЭ, электричестве и бензине) на готовой базовой платформе производство специзделий инжиниринговая и маркетинговая компания, осуществляющая деятельность в области предоставления управленческих и консультационных услуг для продвижения технологий проекта в области космоса, авиации, железнодорожного, морского и автомобильного транспорта, металлургии, химической промышленности, в строительстве.

Указанные выше технологии уже начали реализовываться при научном и кадровом сопровождении одного из ведущих вузов страны — национального исследовательского Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ).

А.Л. ШЕСТАКОВ:

— Главная идея развития ЮУрГ У как национального исследовательского университета — это создание научно-технологической базы энерго- и ресурсоэффективной экономики региона и страны в целом, поэтому мы всецело поддерживаем проект «Ветроводородный ДМЭ».

В университете и его филиалах обучаются свыше 50 тысяч студентов, работают более 350 профессоров, докторов наук, 1455 доцентов, кандидатов наук, четыре действительных члена РАН, восемь членов-корреспондентов РАН.

Длительность реализации проекта составит не одно десятилетие. По предварительным оценкам, объем валютных поступлений при его реализации может превысить нынешние поступления от экспорта нефти. Естественно, что для решения такой масштабной государственной задачи должна быть создана стройная система привлечения ведущих ученых с разработками мирового уровня, поиска и обучения талантливых молодых людей, включения их в процесс научных исследований, реализации на практике достигнутых результатов. Такую всестороннюю систему наш университет предоставляет уже сегодня, но для реализации проекта она будет углублена до академического уровня и расширена до опытных производств и внедренческих структур под руководством представителей крупного бизнеса.

Новейшие разработки естественным образом вольются в производство предприятий как инновационный пакет, включающий технику, технологии и кадры с необходимыми профессиональными компетенциями, свободным владением английским языком, отличающиеся грамотностью в компьютерной, правовой, экономической и управленческой сферах.

Проект «Ветроводородный ДМЭ» уникален по своей комплексности для страны в целом, а для ЮУрГУ — это вызов времени, и мы принимаем его!

С.Д. ВАУЛИН:

— Проект «Ветроводородный ДМЭ» ставит непростые задачи перед отечественными учеными и инженерами. Так, одним из ключевых вопросов синтеза моторных топлив является создание высокоэффективного реактора синтез-газа.

Условия для осуществления реакции самые жесткие, и здесь окажутся востребованными достижения челябинских ученых в области ракетных двигателей. Наши разработки в области термодинамики, химии и кинетики процессов горения ракетных топлив в сочетании с достижениями материаловедов, применяемыми при создании высоконагруженных конструктивных элементов проточной части двигателя, функционирующих зачастую при температурах, близких к температуре плавления металла, позволяют нам создавать высокотемпературные реакторы, в ряде случаев превосходящие по характеристикам (прежде всего, таким, как компактность и стоимость) классические реакторы синтеза. Так оборонные технологии находят свое гражданское применение.

Другой пример конверсии — летательные аппараты высокой грузоподъемности.

Так, длина лопасти ВЭУ составляет около70 метров, ее масса доходит до 30 тонн, что исключает возможность наземной транспортировки таких грузов.

Для перевозки этих грузов целесообразно использовать транспортные дирижабли, длина их доходит до200 метров, а объем гелия превышает 70 тысяч кубических метров.

Некоторые мировые компании разрабатывают аппараты и большей размерности. Однако, помимо лопастей, других крупногабаритных узлов и сборочных элементов ВЭУ и заводов ДМЭ, существуют и менее габаритные грузы, которые могут быть доставлены на полуостров по железной дороге.

Но от железнодорожной станции до площадки базирования ВЭУ может быть 100 или200 километровсплошных болот и озер. Строить дорогу к каждой ВЭУ невыгодно, но перевезти свыше трех тысяч тонн грузов для нее необходимо. В этих случаях целесообразно применение экранопланов грузоподъемностью 30—35 тонн.

Развитие дирижаблестроения и экранопланостроения поддерживается государством в виде федеральных целевых программ. ЮУрГУ будет строить прототипы таких воздушных кораблей на базе компетенций кафедры «Летательные аппараты и автоматические установки».

Диметиловый эфир может непосредственно сжигаться в дизельных двигателях, при этом он дешевле и экологичнее, имеет цетановое число 55—60 против 40—45 у дизельного топлива, двигатель на базе ДМЭ имеет более высокий КПД, легко заводится при температурах до-50 °C, что немаловажно для нашей страны. ДМЭ может применяться не только в автомобилях, но и на железнодорожном, морском, а в некоторых случаях и на воздушном транспорте.

Электрификация российских железных дорог составляет 58,5 процента, во Франции 45 процентов, в Японии 61 процент, в Польше 61 процент, в Италии 65 процентов, в Швеции 68 процентов, а вот в США один процент. В таких протяженных странах, как Россия и США, выгоднее применять локомотивы на тепловой тяге, что позволит уменьшить капитальные затраты на строительство линий и перевозить крупногабаритные грузы. ДМЭ, как более дешевое и доступное топливо по сравнению с традиционными, может стать основным топливом для РЖД. Компетенции кафедр автотракторного факультета ЮУрГУ позволяют создавать системы питания, двигатели на ДМЭ и целиком транспортные средства на комбинированной тяге: ДМЭ, бензин, электричество. Электротяга на малом пассажирском транспорте — это особый вопрос, она обеспечивается технологиями, основанными на продукции из редкоземельных элементов.

К сожалению, промышленность редкоземельных металлов (РЗМ) в РФ практически прекратила существование, поэтому предусмотренное проектом строительство нового современного редкоземельного комбината будет знаковым событием для всей экономики РФ. Разработки ЮУрГУ в области цветной металлургии, в том числе РЗМ, широко известны в нашей стране.

Утилизация хвостов РЗМ-производства в строительные материалы — это важное направление технической химии. Особенно актуальной эта тема становится, когда при производстве цемента используется также зола угольной ТЭС, загрязняющая окружающую среду. В ЮУрГУ на кафедрах архитектурно-строительного факультета разработаны готовые технические решения мирового уровня по этой теме.

Проектом предусмотрено строительство сверхмощных высоковольтных линий постоянного тока, прежде всего Трансуральской высоковольтной линии Бованенково—Салехард—Краснотурьинск—Екатеринбург—Челябинск—Магнитогорск. Это позволит обеспечить промышленные предприятия Урала дешевой электроэнергией (около 90 коп./кВт•ч), что вдохнет новые силы в уральский экспортный сектор — металлургию. В 80-е годы прошлого столетия СССР первым в мире построил сверхмощную линию постоянного тока, которая проходила в том числе по территории Челябинской области. Однако трудности с производством мощной преобразовательной техники заставили Советский Союз отступить на этом направлении.

Совершенно иная ситуация сложилась в развитых странах, линии постоянного тока там широко применяются для связи энергосистем отдельных стран и крупных передач электроэнергии на дальние расстояния. Разработки ЮУрГУ в области техники высоких на пряжений и силовой преобразовательной техники широко известны.

Нам, очевидно, придется гораздо глубже исследовать проблемы электролиза воды на базе твердополимерного электролита. Мембраны для электролиза, изготавливаемые ведущими мировыми производителями с применением нанотехнологий, являются основой топливных элементов, которым многие прочат большое будущее в энергетике и на транспорте.

Большое внимание в наших исследованиях мы уделяем проблеме утилизации вредных выхлопов промышленных предприятий. В проекте эта тема займет одно из важнейших мест. ЮУрГУ располагает одним из самых мощных компьютеров в мире. Если для решения задач, возникающих при создании новой техники и технологических процессов, бывает до статочно ЭВМ средней производительности, то для расчета взаимодействия глобального ветрового потока с тысячами и десятками тысяч ВЭУ нужны не просто большие, а именно супер-ЭВМ. В США задачи глобального обтекания решаются сетями национальных суперкомпьютеров.

В процессе реализации проекта будут подготовлены современные молодые инженеры по различным специальностям машиностроения, металлургии, химии, энергетики, информатики и т.д. Фактически мы начнем новую индустриализацию в нашей стране.

С.Б. САПОЖНИКОВ:

— Важнейшее значение в данном проекте имеют ВЭС и ВЭУ, в которых воплощены все самые передовые достижения материаловедения композитов, аэродинамики, систем управления генерацией и передачи электроэнергии, строительных и транспортных технологий. Уровень требований таков, что только лучшие материалы могут быть использованы в конструкции такого циклопического сооружения, как восьмимегаваттная установка высотой в половину Эйфелевой башни!

Современные сверхмощные ВЭУ уровня 6—8 МВт в настоящее время проектируют в расчете на использование стеклопластика в конструкции лопасти. Стеклопластик достаточно дешев и позволяет достичь окупаемости ВЭУ в условиях Европы за 10—15 лет. На Ямале скорости ветра в среднем составляют 15—20 метров в секунду, что вдвое превышает скорости ветра на Европейском континенте, позволяя ускорить окупаемость в 2—3 раза! Однако суровые условия Севера заставляют думать о замене стеклопластика на углепластик, что позволит построить практически необслуживаемые агрегаты высочайшей надежности и долговечности, ведь углепластик — материал, не знающий понятия «усталость». Таким образом, в наших агрегатах будет использовано углеродное волокно с прочностью до 8ГПа и модулем упругости до 400 ГПа. Лопасти будут вдвое легче, прочнее и долговечнее стеклопластиковых. Придется решить множество непростых конструкторских и технологических задач, которые позволят создать ВЭУ с лопастями адаптивной геометрии (управляемой круткой и переменными углами атаки), чтобы довести КПД турбины до 52—54 процентов (лучшие мировые образцы редко имеют КПД 49 процентов). Сейчас углеродные волокна самого высокого качества изготавливают в Японии, но усилия российских ученых позволят в ближайшие годы сократить разрыв в характеристиках волокон.

***

Данный проект — дело не только России, но и всех промышленно развитых стран, заинтересованных в стабильном развитии мировой энергетики.

Электролиз воды и использование углекислого газа промышленных предприятий позволят получить синтетическое топливо, снизить выбросы СО2 в атмосферу, обогатить ее кислородом и даже в перспективе снять проблему Киотского протокола. В 1995 году в США был принят Hydrogen Act, который поставил цель — переход экономики страны на водородные технологии. Применение водорода кардинально меняет не только технологические процессы, но и саму жизнь. Прямое водородное восстановление металлов из руды, большинство значимых химических процессов, энергетика, электроника, транспорт — лишь небольшая часть отраслей народного хозяйства, куда придет дешевый водород. Металлургические, цементные заводы и угольные электростанции будут улавливать свои углеродные и азотные выхлопы и утилизировать их в синтетическое моторное топливо и удобрения с прибылью большей, чем на основном производстве.

Необходимость в экологическом надзоре отпадет сама собой. Наши города станут экологически чистыми, повысятся продолжительность жизни и ее качество. В России в отличие от США принято много решений по водороду, но ни одно из них не выполняется, мы уступаем США по объемам производства водорода более чем в 100 раз. Проект «Ветроводородный ДМЭ» — это не только старт новой технологии в стране, это начало глобального проекта создания новой России, страны сильной, здоровой, свободной и открытой.

У нас есть только один способ сохранить себя и свое государство — это гонка за новыми технологиями, тотальная модернизация экономики, раскрытие человеческих талантов. На этом пути нам придется пересматривать традиционные подходы, но недалекое будущее окупит все. Реализация проекта рассчитана на 40 лет, но уже через пять-семь лет все смогут ощутить на себе его первые плоды.

При этом уникальные промышленные, кадровые и научные возможности Уральского региона сыграют ключевую роль в реализации проекта, обеспечат основу новой водородной энергетики, водородной металлургии, чтобы кардинально улучшить экономическую и экологическую обстановку, обеспечить новое качество жизни всех россиян.

Волков Владимир Анатольевич
Председатель исполнительного комитета Межрегиональной ассоциации экономического взаимодействия «Большой Урал»

Примечание:

Администрация сайта Земля Мастеров благодарит Юрия Крупнова за ссылку на интересный материал

Источник фото