Возобновляемая энергетика России: академические научные школы ОИВТ и ВИМ-ВИЭСХ. Обзор

Введение

Возобновляемая энергетика (ВЭ) в России по итогам 2021 года имела установленную мощность 55,3 ГВт с выработкой электрической энергии 216,3 ТВт·ч/год, в том числе: ГЭС — 50 ГВт, 210 ТВт·ч/год; ВЭС — 2,035 ГВт, 3,622 ТВт·ч/год; СЭС — 1,961 ГВт, 2,254 ТВт·ч/год; а также ГеоЭС — 0,074 ГВт, 0,422 ТВт·ч/год.

Согласно государственной программе поддержки ДПМ ВИЭ 2.0, утверждённой Распоряжением Правительства РФ от 1 июня 2021 года №1446-р, до 2035 года планируется увеличить установленную мощность системных ВЭС, СЭС и малых ГЭС (МГЭС) до 11 ГВт. В России успешно работает система государственного регулирования развития ВЭ с отбором проектов, гарантированным доступом на оптовый рынок электроэнергии, льготными тарифами. Налажен выпуск оборудования ветроэнергетики и фотоэлектрических преобразователей на отечественных предприятиях. Подготовкой эксплуатационных и научных кадров занимаются 13 учреждений. Научные исследования в области ВЭ ведут в основном Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН, г. Москва) с его филиалом — Институтом проблем геотермии и возобновляемой энергетики (ИПГиВЭ, г. Махачкала), научное учреждение РАН — Федеральный научный агроинженерный центр «ВИМ» (ФНАЦ «ВИМ», г. Москва) и пять вузов: Московский энергетический институт (НИУ «МЭИ»), Научно-исследовательская Лаборатория возобновляемых источников энергии Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (НИЛ ВИЭ МГУ), Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ, г. Екатеринбург) и Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ, г. Челябинск) [1].

Традиции академических научных школ возобновляемой энергетики эпохи СССР в основном продолжают ОИВТ РАН и его филиал ИПГиВЭ, а также научный центр РАН — ФНАЦ «ВИМ».

Солнечная энергетика в ОИВТ РАН

Ведущим специалистом ОИВТ РАН по солнечной энергетике, базам климатических данных, экономике ВЭ, фотоэнергетике, перспективам ВЭ является ученик и преемник члена-корреспондента РАН Э. Э. Шпильрайна — д.т.н. О. С. Попель [2]. Круг его научных интересов весьма широк. В его кандидатской диссертации [3] и в статьях на её основе им были изложены результаты исследований солнечных прудов и солнечных холодильных установок. Под руководством О. С. Попеля в 2010 году был создан «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России» [4], а совместно с НИЛ ВИЭ МГУ — геоинформационная система «Возобновляемые источники энергии России» (gis-vie.ru). В статье [5] представлены результаты исследований по эффективности солнечных водонагревательных установок, а в статье [6] — по конкурентоспособности фотоэлектрической микрогенерации на территории РФ.

О. С. Попель и его ученик А. Б. Тарасенко с 2015 года занимаются анализом технологий создания фотоэлектрических преобразователей и развития фотоэнергетики в России [7], а совместно с к.т.н. С. Е. Фридом — солнечных тепловых коллекторов [8]. В статье [9] представлены результаты разработки пластиковых солнечных коллекторов и солнечной водонагревательной установки аккумуляционного типа из полимерных и композиционных материалов. Перспективы развития возобновляемой энергетики изложены в совместной монографии В. Е. Фортова и О. С. Попеля [10]. О. С. Попель является автором пяти монографий, более 300 научных статей и 30 патентов. Он подготовил к защите четырёх кандидатов наук по специальностями в сфере ВЭ.

К.т.н. С. Е. Фрид является специалистом по математическому моделированию установок солнечного теплоснабжения и фотоэлектрических электростанций. Он занимается солнечными холодильными машинами, исследованиями характеристик солнечного излучения [4], экономической целесообразностью использования солнечных водонагревательных установок в России [5]. В статье [11] представлены типичные параметры и тенденции их изменения современных солнечных коллекторов. Результаты разработки пластиковых солнечных коллекторов, солнечной водонагревательной установки аккумуляционного типа из полимерных и композиционных материалов изложены в статье [9]. С. Е. Фрид развивает новое направление в солнечной энергетике — использование фотоэлектрической генерации для горячего водоснабжения [12].

Биоэнергетика в ОИВТ РАН

Ведущим научным специалистом России по биоэнергетике является заведующий лабораторией распределённой энергетики д.т.н. В. М. Зайченко. В составе лаборатории 33 человека, в том числе пять д.т.н., 11 к.т.н. В области научных интересов В. М. Зайченко: технологии получения биотоплив из биомассы, распределённая энергетика, концепции развития энергетики с использованием ВИЭ. ОИВТ РАН является ведущей научной организацией страны по торрефикации биомассы, при которой удельная теплота сгорания увеличивается до 20%. В. М. Зайченко разработал технологии и конструкции реакторов для низкотемпературного пиролиза биомассы с подвижным слоем и дополнительным подводом тепла с управляемой экзотермической реакцией и реакторов с псевдосжиженным слоем, определены виды обрабатываемой биомассы и их производительности [13].

Им предложена двухстадийная пиролитическая технология переработки биомассы в синтез-газ (смесь водорода и оксида углерода с удельной теплотой сгорания 9–15 МДж/м³). На первой стадии получают биоуголь и парогазовую смесь, а на второй при температуре 1000°C в контакте с водяным паром и двуокисью углерода образуется синтез-газ с эффективностью преобразования энергии биомассы 0,63–0,74, что в 4,5 раза выше традиционного пиролиза.

Результаты исследований по распределённой энергетике представлены в книге [14], написанной д.т.н. В. М. Зайченко совместно с к.т.н. А. А. Чернявским, в которой анализируются особенности выбора основного электрогенерирующего оборудования малой мощности (паровые, газовые и парогазовые турбины, дизель-генераторные и газопоршневые установки) и их совместной работы с электрогенерацией на основе ВИЭ. Выполнен анализ эффективности инвестиций в создание малых газопоршневых электростанций, автономных энергоустановок с энергоагрегатами на традиционных и возобновляемых энергоресурсах.

В. М. Зайченко работает над новой концепцией развития российской энергетики с использованием ВИЭ, в которой приоритетное место отводится биоэнергетике [15]. Совместно с институтом «Ростовтеплоэлектропроект» выполнены сравнительные технико-экономические расчёты российских АЭС, ТЭС, ГЭС, ВЭС и СЭС. В. М. Зайченко имеет более 320 печатных научных работ. В аспирантуре ОИВТ РАН он подготовил шесть кандидатов наук со специализацией по ВИЭ.

Геотермальная энергетика в ОИВТ РАН

Лидером научных исследований в области геотермальной энергетики России является Институт проблем геотермии и возобновляемой энергетики (ИПГиВЭ) Объединённого института высоких температур (ОИВТ) РАН — филиал ОИВТ РАН в городе Махачкале. Основными направлениями научных исследований ИПГиВЭ являются: теплофизика, гидродинамика и теплообмен в системах геотермальной энергетики, изучение пространственно-временной структуры геотермальных полей, научно-технические основы извлечения и комплексного освоения геотермальных энергетических ресурсов; создание ресурсосберегающих технологий в сочетании с другими возобновляемыми источниками энергии.

В составе Института проблем геотермии шесть научных лабораторий: энергетики, геотермомеханики, комплексного освоения возобновляемых энергоресурсов, теплофизики возобновляемой энергетики, физико-химии термальных вод и экологии, аккумулирования низкопотенциального тепла и солнечной энергии.

В институте работают 127 человек, в том числе 73 научных сотрудника, из которых 20 докторов и 29 кандидатов наук.

Главным научным специалистом Института проблем геотермии является его руководитель — д.т.н., профессор А. Б. Алхасов, работающий там со дня основания. Он — автор шести монографий по геотермальной энергетике, в том числе по ресурсам и технологиям [16], освоению низкотемпературного тепла [17]. В книге [18] им описаны перспективы освоения геотермальных ресурсов Восточного Предкавказья; энергоэффективные технологии использования геотермальных ресурсов разного энергетического потенциала и их комбинирования с другими видами ВИЭ; процессы тепломассообмена в геотермальных горных пластах; технологии водоподготовки геотермальных вод; технологические решения использования высокотемпературных рассолов с извлечением химических компонентов.

А. Б. Алхасов — автор более 300 научных статей. В работе [19] представлены результаты исследований перспектив освоения высокотемпературных (до 200°C), высокоминерализованных (до 200 г/л) геотермальных энергоресурсов Тарумовского месторождения в Республике Дагестан с высоким содержанием лития, рубидия, цезия, йода, брома, бора, магния и стронция, с преобладанием ионов хлора и натрия при величинах дебита скважин до 1600 м³/сут. Газовый фактор составил до 4,5 м³/м³, в том числе содержание углеводородов — до 87%. Разработана технологическая схема с получением карбоната лития, жжённой магнезии, карбоната кальция и поваренной соли. Обоснована целесообразность сооружения бинарной геотермальных электростанций мощностью до 15 МВт. В условиях дефицита воды питьевого качества в Дагестане (в 300 скважин в 260 определено содержание мышьяка до десяти предельно допустимых концентраций) разработаны технологии очистки вод, в том числе и низкотемпературных геотермальных, до нормативных показателей питьевой воды, даны оценки перспективных мощностей электрогенерации и теплогенерации Дагестана.

А. Б. Алхасов успешно совмещает научную и административную работу с педагогической: им подготовлено два доктора и семь кандидатов технических наук.

ФНАЦ «ВИМ» (ВИЭСХ)

Федеральный научный агроинженерный центр «ВИМ» [ФНАЦ «ВИМ», ранее — Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ВИЭСХ), г. Москва] в своём составе имеет отдел ВИЭ с четырьмя лабораториями: солнечной энергии, энергетического оборудования на ВИЭ, технологических систем применения возобновляемых и альтернативных источников энергии, биоэнергетических технологий.

Научная школа ВЭ в этом учреждении была одной из ведущих в стране усилиями академика РАН д.т.н., профессора Д. С. Стребкова (1937–2021).

Его преемником в области возобновляемой энергетики является д.т.н., профессор В. В. Харченко, основная научная специализация которого — фотоэнергетика. Им выполнен комплекс работ по разработке региональных методик расчётов солнечной радиации, повышению эффективности фотоэлектрических преобразователей [20], солнечной энергетики, совершенствованию тепловых солнечных коллекторов [21], биоэнергетике [22]. Под руководством д.т.н., профессора В. В. Харченко подготовлена к защите докторская диссертация А. А. Ковалёва по биоэнергетике [23].

Исследованиями получения энергии фазового перехода «вода — лёд» в Федеральном научном агроинженерном центре «ВИМ» занимается д.т.н., профессор А. Н. Васильев [24].