Теоретические и экспериментальные исследования физико-технических проблем энергетики в Арктической зоне РФ

Планируемая научно-исследовательская работа соответствует направлению 2.5.1. Энергетика и рациональное природопользование Программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 - 2030 годы), утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 декабря 2020 г. № 3684-р, в части разделов фундаментальных и поисковых научных исследований: 2.5.1.1. Основы эффективного развития и функционирования энергетических систем на новой технологической основе в условиях глобализации, включая проблемы энергобезопасности, энергосбережения и рационального освоения природных энергоресурсов; 2.5.1.2. Системные исследования перехода к экологически чистой, ресурсосберегающей и конкурентоспособной энергетике; 2.5.1.4. Фундаментальные проблемы современной электротехники, импульсной и возобновляемой энергетики; Работа соответствует основным направлениям научной деятельности, зафиксированным Положением о Центре физико-технических проблем энергетики Севера – филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Кольский научный центр Российской академии наук»: - разработка путей эффективного развития и функционирования энергетических систем в условиях Арктики, включая проблемы энергобезопасности, энергосбережения и рационального освоения природных энергоресурсов; - исследование физико-технических и экологических проблем энергетики Севера, электрофизических свойств материалов и развитие высоковольтных электротехнологий для электроразведки, добычи и переработки минерального сырья. ЦЭС КНЦ РАН традиционно проводит работы по нескольким тематически связанным направлениям фундаментальных научных исследований, обусловленных спецификой региональной энергетики. Для обеспечения необходимого спектра научных компетенций была сформирована комплексная тема плана НИР с выделением в ней нескольких разделов: 1. Оценка перспектив и целесообразности перехода систем теплоснабжения Мурманской области, использующих нефтепродукты, на возобновляемые виды топлива. Целью работы является формирование вариантов эффективного построения современных систем теплоснабжения с привлечением одного или нескольких возобновляемых источников энергии в качестве дополнительного источника тепла, позволяющих рассматривать применение возобновляемых источников энергии как топливосберегающую технологию. Суровые природно-климатические условия усложняют доставку органического топлива в районы Крайнего Севера, в том числе и в Мурманскую область, а удаленность некоторых потребителей от центральных районов области является причиной того, что конечная стоимость топлива у таких потребителей может быть в несколько раз выше по сравнению с отпускной ценой у поставщиков. Это является основной причиной повышенных денежных расходов на покупку такого топлива и его завоз в северные районы. Данное обстоятельство приводит к тому, что себестоимость тепловой энергии оказывается больше уровня тарифов, в результате чего деятельность теплогенерирующих объектов оказывается убыточной, и поэтому государство вынуждено субсидировать покупку и завоз органического топлива в северные районы. В такой ситуации хорошим решением для экономии органического топлива и сокращения субсидий на его покупку, может быть максимальное использование местных возобновляемых источников энергии. 2. Теоретические и экспериментальные исследования волновых процессов в линиях электропередачи с целью повышения их грозоупорности. Целью работы является разработка методики выбора конструкций заземлителей и других объектов линий электропередачи, эффективных во временном диапазоне токов молнии с учетом различных электрических характеристик грунтов. Грозовые перенапряжения являются одной из основных причин аварийных отключений воздушных линий. На величину перенапряжений влияют конструктивные особенности заземлений и опор линий электропередачи. Проблема грозозащиты является актуальной в районах с высоким удельным сопротивлением грунта. При грозовых воздействиях длины волн токов и напряжений могут быть сопоставимы с размерами заземлителей, опор и прочих объектов линий электропередачи. Поэтому необходим учет волнового характера процессов в них. В существующих руководящих указаниях волновые процессы учитываются лишь приближенно. Таким образом, изучение волновых процессов в линиях электропередачи, а также исследование влияния конструкционных особенностей отдельных элементов ЛЭП на электромагнитные процессы в них являются актуальными задачами. 3. Развитие технологии электроимпульсной дезинтеграции с целью увеличения эффективности поверхностной обработки и разрушения многокомпонентных конструкционных материалов с неоднородной структурой. Целью работы является развитие технологических основ электроимпульсной дезинтеграции многокомпонентных конструкционных материалов с неоднородной структурой. С развитием технологий производства многокомпонентных конструкционных материалов, усложнением их структуры, увеличением разнообразия их свойств и улучшением удельных прочностных характеристик встаёт вопрос о необходимости разработки методов их дальнейшей эффективной и экологичной переработки. Сложности сопровождают переработку и разделение составов новых видов ЖБИ, например, блоков высокопрочного бетона, армированного металлическим, стеклянным или синтетическим волокном. Механическое разрушение этих изделий затруднено и всегда сопровождается ухудшением свойств входящих в их состав компонентов. Полимерные композиты на основе углеродного волокна перерабатываются, в основном, двумя методами: термическим и химическим. Недостатками обоих методов являются утрата полимерного связующего и достаточно большая энергоёмкость. Исследования, проведённые в ЦЭС КНЦ РАН, показали перспективность применения метода электроимпульсной дезинтеграции (ЭИД) для переработки непроводящих отходов абразивной промышленности с высокой степенью эффективности разделения материала связующего вещества и абразива. Селективность метода обусловлена тенденцией развития канала разряда при импульсном воздействии по границам фаз в материале и дефектам структуры. Многокомпонентные конструкционные материалы имеют схожую с абразивами структуру, поэтому применение ЭИД для их разрушения и переработки также может иметь перспективу. Однако проводимые в данной области исследования малочисленны и, в основном, сосредоточены на исследовании разрушения узкого диапазона наиболее распространённых конструкционных материалов, применяемых в строительстве. Также практически отсутствуют исследования влияния различных составов многокомпонентных материалов и степени химического взаимодействия компонентов на эффективность и селективность электроимпульсного разрушения. Обозначенные проблемы обуславливают необходимость проведения исследований ЭИД широкого спектра конструкционных материалов с неоднородной структурой и определения зависимостей энергоэффективности их разрушения от технологических параметров импульсного воздействия. 4. Применение цифровых моделей линий электропередачи для анализа электромагнитной совместимости и безопасности эксплуатации. Целью работы является разработка рекомендаций по улучшению безопасности эксплуатации и электромагнитной совместимости воздушных линий электропередачи (ВЛ, ЛЭП) на основе моделирования состояний цифровых двойников ЛЭП Мурманской области. Обеспечение электромагнитной совместимости оборудования и безопасности обслуживающего персонала являются важнейшими задачами при эксплуатации объектов электроэнергетики. Проведение плановых и аварийных работ на ВЛ всегда связаны с определенными рисками для персонала оказаться под воздействием опасного напряжения, как наведенного от других электроустановок, так и вследствие грозовых разрядов. Получение знаний о состоянии ВЛ, уровнях возможных наведенных напряжений, оценке напряжений под влиянием других ВЛ позволят повысить безопасность обслуживающего персонала при выполнении работ на ВЛ. В предыдущий плановый период были разработаны цифровые модели воздушных линий электропередачи для оценки молниезащиты региональных электрических сетей на основе данных о грозовой деятельности. Предполагается адаптировать цифровые двойники ЛЭП для возможности оценки электромагнитной совместимости и расчета наведенных напряжений на соседние ВЛ и электроустановки. 5. Модернизация масс-спектрометрических комплексов для изотопного анализа инертных газов путем усовершенствования электронных блоков и программного обеспечения. В 2025-2027 гг. планируется продолжить модернизацию электронных блоков трёх масс-спектрометров МИ1201-ИГ Геологического института КНЦ РАН, что позволит повысить точность определения изотопного состава инертных газов в диапазоне от 3 а.е.м. до 40 а.е.м. Разработка нового программного обеспечения позволит создать более точные методы и алгоритмы определения состава инертных газов.