Разработка концепции системы энергоснабжения научно-исследовательской полярной обсерватории «Ледовая база Мыс Баранова» с использованием возобновляемых источников энергии

    Проблематика

    Научно-исследовательский стационар (НИС) «Ледовая база мыс Баранова» – крупнейшая российская гидрометеорологическая полярная обсерватория, расположенная на мысе Баранова на острове Большевик архипелага Северная Земля.

    На данный момент энергоснабжение НИС осуществляется при помощи нескольких дизельных генераторов мощностью 70-200 кВт. Предельное энергопотребление на станции достигает 240 кВт.

    Завоз топлива осуществляется ежегодно судном снабжения. Стоимость топлива из расчета 250 тонн на год, включая транспортировку, составляет порядка 40 млн рублей.

    Доставка топлива сопряжена со значительными логистическими трудностями, в том числе из-за сложной ледовой обстановки. Поскольку судно не может подойти вплотную к берегу, разгрузка топлива происходит с использованием шланголинии, что является достаточно рискованной операцией.


    Суммарные затраты на эксплуатацию и обслуживание дизельгенераторов весьма высоки, а их использование наносит вред хрупкой арктической экосистеме.

    Цель

    Разработать концепцию системы энергообеспечения с использованием альтернативных источников энергии для НИС “Ледовая база Мыс Баранова”

    Требования к решению
    Пригодность к использованию в арктических условиях
    Наше решение должно хорошо работать в экстремальных метеорологических условиях арктического архипелага
    Мощность
    На данный момент предельное энергопотребление базы достигает 239 кВт. С учетом будущего развития и увеличения энергопотребления НИС рассматривался запрос на 300 кВт
    Пригодность к транспортировке
    Решение должно быть пригодным к морской транспортировке
    Экологичность
    Решение должно быть максимально экологичным, и минимально вмешиваться в экосистему при строительстве и функционировании
    План работы
    • 1 неделя
      Изучение физико-географических условий и технических особенностей эксплуатации НИС;
      Рассмотрение альтернативных источников энергообеспечения, оценка возможности их использования;
    • 2 неделя
      Проработка концепции, проведение расчётов, разработка цифрового двойника базы, создание 3D-модели станции с отображением выбранного варианта энергообеспечения, подготовка к изготовлению макета
    • 3 неделя
      Финализация концепции, оценка экономической целесообразности, совершенствование цифрового двойника, работа над сайтом и изготовление макета
    Рассмотренные варианты электроснабжения
    Ядерная энергия
    АТЭС "Елена-АН" не требует обслуживания, но вырабатывает избыточное количество тепла, дороговизна капитальных вложений
    Газификация
    Ближайшие нефтегазоносные участки находятся в тысячах километров, и те нуждаются в разработке, а СПГ требует сложной инфраструктуры
    Волновые генераторы
    Безлёдный период только 2-3 месяца
    Приливные генераторы
    Безлёдный период только 2-3 месяца а величина приливов всего 20-30 см
    Тепловые насосы
    Для получения температурного градиента:
    • в грунте: глубина залегания вечномерзлых грунтов около 600м, а бурение затруднено и дорого
    • в морской воде: невозможно подобрать безопасное место для вывода коммуникаций из-за сложной ледовой обстановки (в том числе навалы льда на берег высотой до 11м)
    Малые ГЭС
    Наличие небольших рек с бурным течением, но экономическая нецелесообразность из-за выраженного сезонного характера (около 3х месяцев в году)
    Солнечные панели
    Продолжительный полярный день, но низкое положение солнца над горизонтом во время полярного дня, высокая повторяемость плотной облачности, продолжительная полярная ночь, сложности в эксплуатации (необходимость регулярной очистки панелей от снега, подверженность физическому воздействию крупных диких животных, большая площадь и, следовательно, увеличение парусности при сильных ветрах и др.)
    Ветрогенераторы
    Высокая повторяемость юго-западных ветров с достаточно высокой скоростью. Автономны, модульны, не требуют обслуживания и относительно легки в перевозке. Могут быть неустойчивы к ураганным ветрам, обледенению и другим экстремальным метеоусловиям. Но отсутствуют отечественные варианты с необходимым уровнем мощности
    Пьезоэлектрические генераторы
    Нетривиальный вариант к рассмотрению. Рядом с базой есть кварцевые жилы, существующие технические решения по генарации электроэнергии слабо разработаны, генераторы крайне маломощны
    В результате анализа для каждого варианта были определены сложности в реализации, или принципиальная невозможность их использования.
    Наиболее подходящее решение - использование ветрогенераторов.
    Разрабатываемая концепция:
    • Ветрогенераторы + дизельные энергетические установки (невозможен полный отказ).
    • Использование аккумуляторных батарей в качестве источника бесперебойного питания на время переключения системы на дизель-генераторы.
    • Использование инвертора и синтезатора частоты переменного тока.
    Проработка концепции

    На следующем этапе был совершен маркетинговый поиск готовых решений, в ходе которого было обнаружено, что готовых решений с необходимыми параметрами для использования в условиях Арктики у отечественных производителей нет.

    Немногочисленные найденные варианты оказались слишком маломощны.


    По этой причине было решено самостоятельно рассчитать необходимые характеристики ветрогенератора.

    Используя данные наблюдений о скорости ветра, были построены графики распределения скоростей ветра и построена кривая обеспеченности. После был произведен пересчет скорости ветра на высоту башни предполагаемого ветрогенератора . Далее был проведён теоретический расчёт установленной мощности и диаметра лопастей. Далее был построен график зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра, при этом в расчет брались скорости, которые являются преобладающими и в сумме составляют более 80% всех наблюдаемых ветров на станции.


    По итогу расчетов: 5 ветроэнергетических установок, диаметр ротора 24 м, установленная мощность 60кВт

    Цифровой двойник - это симуляция с возможностью расчета ежедневной выработки электроэнергии в зависимости от скорости ветра и ее распределения по потребителям, протестированная на реальных ежесуточных данных по скорости ветра за 1 календарный год.

    На каждую дату программа моделирует потребление каждого здания, делает перерасчет скорости ветра на высоту башни ветрогенератора, рассчитывает суммарную вырабатываемую мощность ветрогенераторов, дает информацию о суммарном потреблении станции, а также указывает объем сэкономленного за этот день топлива и финансовых средств на его покупку.

    В случае, если вырабатываемой ветрогенераторами мощности недостаточно для станции, программа включает оптимальный в данной ситуации дизельный генератор.

    Исходя из показаний симуляции в конкретный анализируемый год при установке ветрогенераторов затраты на дизельное топливо уменьшились бы на сумму около 15 миллионов за год (из 20 млн ежегодно тратящихся на закупку).


    Для демонстрации выбранной концепции энергоснабжения был создан интерактивный макет
    3-Д Модель базы и окружения
    Размещение ветрогенераторов было рассмотрено с учетом преобладающих направлений ветра, удаленности от жилых строений, относительной удаленности от мористой части, а также с путями захода на посадку самолетов, следующих на снежно-грунтовую взлетно-посадочную полосу, находящуюся в 3-х километрах от НИС, что отображено на специально созданной 3-d визуализации в САПР “Компас 3-Д”.
    Были рассмотрены аналогичные ветрогенераторы не для арктических условий у зарубежных производителей для оценки капитальных вложений. Вот что получилось:
    • Ветрогенераторы
      Использованные примеры ооборудования:
      Condor Air 60, 60кВт, диаметр – 17,5 м
      YASHEL LT60KW, 60кВт, диаметр – 22м

      5.000.000 - 12.000.000 рублей за штуку
      Всего: 25.000.000 - 60.000.000 рублей

    • Аккумуляторы + Инверторы, синхронизаторы
      около 1.000.000 за штуку

      Всего: 4.000.000 Рублей+ 1.000.000 Рублей
      100 КВтч, DC512В, 205Ач
    • Установка + Транспортировка
      Суммарно более 40.000.000 Рублей
    КАПИТАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ: 70.000.000 -105.000.000
    ОКУПАЕМОСТЬ: 5-7 ЛЕТ
    Планы развития проекта
    Во время работы над проектом мы столкнулись с проблемой: в России нет производств ветрогенераторов подходящих для эксплуатации в суровых арктических условиях. Поэтому предлагаем крупным компаниям обратить внимание на эту проблему, поскольку решение будет актуальным для удалённых арктических территорий нашей страны. А НИС "Ледовая база Мыс Баранова" мог бы стать пилотным проектом.
    Наставники:
    • Анна Тимофеева
      Руководитель
    • Иван Свистунов
      Руководитель
    • Никита Куссе-Тюз
      Лектор
    • Леонид Старцев
      Лектор
    • Анна Феденёва
      Стажёр
    Участники:
    • Дмитрий Сорокин
      3D Моделист
    • Кирилл Скрипов
      Дизайнер-макетчик
    • Александр Лесков
      Инженер - конструктор
    • Филипп Мартюшев
      Инженер-схемотехник
    • Артём Шалимов
      Программист