Совершенствование технологий использования альтернативных источников энергии в Арктической зоне Российской Федерации

Необходимость решения экологических проблем заставляет обратить внимание на текущую ситуацию в мировой энергетике. Увеличение спроса и потребления энергии является результатом технического прогресса и рассматривается как наиболее важный фактор ускорения изменений климата и окружающей среды, наблюдаемых и описываемых научным обществом. Мировое потребление энергии к 2040 году увеличится приблизительно на 35 % процентов по сравнению с показателем 2023 года. Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится приоритетом для государств из-за растущих экологических проблем, безопасности поставок ископаемого топлива. Достигнутый в последние десятилетия прогресс в развитии технологий эффективного использования ВИЭ привел к общественному пониманию того, что без использования солнечной энергии, энергии ветра, биомассы и других практически повсеместно доступных и экологически безопасных природных возобновляемых энергетических источников обеспечить длительное эффективное, устойчивое и безопасное энергетическое развитие человечества будет сложно. В последние годы ветроэнергетика в регионах с холодным климатом вызывает повышенный интерес в связи с наличием большого ветроэнергетического потенциала. Однако обледенение является препятствием для полноценного использования этого большого ресурса. Образующийся лед на лопасти ветроэнергетической установки изменяет геометрию лопасти, что влияет на аэродинамические характеристики лопасти и приводит к потерям при производстве электроэнергии. В некоторых случаях такие потери приводят к снижению среднегодовой производительности ВЭУ на 17 % и аэродинамических характеристик на 20 ‒ 50 %. Растущий интерес к более эффективному использованию больших ветроэнергетических ресурсов в северных районах подчеркивает необходимость изучения физики образования льда и поиска инновационных технологических решений для эксплуатации ветроэнергетических установок в условиях возможного обледенения с целью снижения капитальных и эксплуатационных расходов. Для повышения конкурентоспособности ветровой энергии в сравнении с ископаемыми видами топлива в отрасли наблюдается растущая тенденция к увеличению размеров ВЭУ для снижения затрат на производство электроэнергии за счет эффекта экономии масштаба. В последние годы стоимость ВЭУ значительно снижается, что говорит о том, что установка ветровых электростанций становится все более экономичной, доступной и конкурентоспособной. Это также подчеркивает необходимость исследования процесса обледенения лопастей для более широко использования ВЭУ в северных регионах. Арктическая зона является стратегически важной территорией для Российской Федерации. Северный морской путь с каждым годом привлекает все больше внимания в качестве альтернативы перегруженным и значительно более длинным водным путям из Европы в Азию. Основными целями России в ее арктической политике являются использование природных ресурсов, защита экосистем, использование морей как транспортной системы в интересах России. Поэтому развитие данного региона является одной из приоритетных государственных задач. Согласно «Стратегии научно-технического развития Российской Федерации» приоритетами научно-технологического развития Российской Федерации следует считать те направления, которые обеспечат переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Подтверждение этого тезиса можно найти в «Энергетической стратегии России на период до 2035 года», где говорится о том, что задачей развития энергетического сектора в сфере экологии и противодействия изменениям климата является всемерное сдерживание роста и уменьшение негативного влияния производства и потребления энергоресурсов на окружающую среду, климат и здоровье людей. Данную задачу в Арктическом регионе Российской Федерации может помочь решить использование непроектных видов топлива, побочных продуктов различных производств: лесопромышленного комплекса, целлюлозно-бумажной отрасли, биологической очистки сточных вод и других производств. К таким топливам можно отнести высококалорийные виды топлива в виде древесных гранул (пеллет, брикет), а также торф, гидролизный лигнин и осадок сточных вод. Торфяное топливо имеет множество экологических и экономических преимуществ. Например, его низшая теплота сгорания на горючую массу близка к бурому углю, также он характеризуется низким содержанием серы и золы и минимальным содержанием ртути. Торф дешевле мазута и природного газа, его цена сопоставима с древесным биотопливом. Важное место в балансе полезных ископаемых нашей страны занимают торфяные месторождения, которые распространены практически на всей территории России. Согласно «Концепции охраны и рационального использования торфяных болот России» Северо-Западный федеральный округ обладает наибольшими разведанными запасами торфа категорий А+В+С1 – 6,9 млрд. т, что соответствует 36,2 % от запасов всей страны. При этом общее количество месторождений в данном округе составляет 18912.Торфяное топливо обладает огромным потенциалом, использование которого в будущем может значительно повлиять на различные сферы человеческой деятельности. Потенциал этого вида топлива может быть использован в энергетике, промышленности и сельском хозяйстве. Гидролизный лигнин является побочным продуктом производства топлива и химикатов либо путем перколяции (процесс Шоллера), либо путем низкотемпературного гидролиза древесины (процесс Бергиуса). Процесс Шоллера использовался с 1920 по 1945 год. Это гидролиз древесной щепы серной кислотой с получением глюкозы и топлива. Процесс Бергиуса был разработан во время Первой мировой войны. Он заключается в переработке бурого угля (также называемого лигнитом) в сырую нефть путем гидролиза соляной кислотой. Эти процессы были остановлены в конце Второй мировой войны из-за их нерентабельности. После Второй мировой войны и вплоть до XXI века на территории бывшего СССР проводился кислотный гидролиз древесных и сельскохозяйственных отходов с получением этанола, кормовых дрожжей и сахаров. Текущие запасы гидролизного лигнина в России составляют примерно 30 млн тонн и увеличиваются на 1,5 млн тонн в год. Это сырое биотопливо широко не используется, поскольку до сих пор не найдено никаких выгодных применений. Высокая влажность, наличие остаточной кислоты, сложность состава и крайняя неоднородность затрудняют его использование в качестве топлива. Но данный вид топлива имеет огромный потенциал его энергетической утилизации путем производства высококалорийного топлива – гранул из гидролизного лигнина. Одним из важнейших способов совершенствования энергетического использования вторичных энергоресурсов на предприятиях целлюлозно-бумажной отрасли является поиск эффективных способов утилизации, образующегося в технологическом процессе биотоплива – осадка сточных вод. Данный осадок является результатом очистки сточных вод комбината, и энергетически утилизируется в смеси с кородревесными отходами, образующимися в процессе мокрой или сухой окорки древесины.