Современная энергетика

Энергия это то, без чего не может существовать наша цивилизация. Растущее население Земли, новые высокотехнологичные производства, «оцифровывание» человечества требуют все больше и больше источников энергии. Это не только традиционная энергетика, но и современная низкоуглеродная генерация, к которой можно отнести атомную, солнечную, ветровую энергетику.

Важным направлением развития отрасли является аккумулирование энергии для ее дальнейшего использования как стационарными, так и мобильными потребителями. Кроме того, в настоящее время происходит активное внедрение цифровых технологий в энергетическую отрасль. Создание цифровых двойников, систем управления, основанных на новой элементной базе и принципах работы, позволит значительно повысить конкурентоспособность и увеличить темпы развития современной российской энергетики. Не надо также забывать, что энергетика должна быть экономичной, доступной в любом уголке планеты и безопасной для окружающей среды.

В рамках направления участникам предстоит исследовать работу различных источников энергии, создавать прототипы генераторов, работать с новыми материалами, конструировать накопители энергии, программировать системы управления энергетическими сетями.

1. Атомный мобильный источник энергоснабжения
2. Робототехнический комплекс для демонтажа графитовой кладки и металлоконструкций реактора РБМК-1000
3. Поиск направлений повышения эффективности энергосберегающих биотопливных элементов
4. Автоматизированный каталог ESG-решений для энергетических предприятий
5. Разработка концентратора лучей для повышения эффективности солнечных панелей

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)

1. Атомный мобильный источник энергоснабжения

Руководитель проекта: Калякин Д.С.

Аннотация: Большая часть территории Российской Федерации не охвачена Единой энергосистемой. Многие населенные пункты, особенно в местах разработки и добычи полезных ископаемых, для обеспечения своей жизнедеятельности используют традиционные виды топлива — уголь и мазут, что сказывается на экологии данной территории. Кроме того, подвоз бочек с топливом в труднодоступные и удаленные места (так называемый «северный завоз»), как правило, осуществляется воздушным транспортом, что влияет и на стоимость энергоресурсов. Последующая утилизация тары или ее вывоз не производится, продукты горения угля и угольная пыль выбрасываются в атмосферу, превращая территорию в неблагоприятную для жизни. При этом по оценкам экспертов, вклад дизельных электростанций, которые используются на северных территориях России, США и Канады в общий объем выбросов СО2 составляет порядка 4% от общемировых. Освоение и дальнейшее социально-экономическое развитие этих территорий в таких условиях невозможно. Кроме того, запасы углеводородного топлива не бесконечны — по различным оценкам его хватит на период от 50 до 100 лет при текущем объеме потребления, а по мере уменьшения запасов будет расти и цена этот вид топлива.

Учитывая, что в планах Правительства Российской Федерации не только освоение территорий Крайнего Севера с точки зрения разработки и добычи полезных ископаемых, а планомерное и устойчивое развитие территорий, обеспечение энергетической автономности этих территорий становится одной из приоритетных и перспективных задач на ближайшее будущее. Кроме того, в контексте развития международной торговли и снижения логистических затрат, в настоящее время актуально использование Северного Морского Пути, который в перспективе станет «мостом» между Европой и Азией. Для обеспечения круглогодичного судоходства уже планируется сооружение нескольких атомных ледоколов, а морские порты по маршруту следования торговых судов станут центрами развивающихся агломераций. Таким образом, в России создались все необходимые предпосылки для развития и атомных станций малой мощности, и небольших мобильных источников энергоснабжения на базе ядерных технологий.

Создание таких агрегатов позволит обеспечить электроэнергией и теплом населенные пункты труднодоступных и удаленных территорий Российской Федерации (в том числе, Крайнего Севера) с количеством жителей до 100000 человек. Участники программы ознакомятся с текущим положением дел в современной энергетике. Планируется рассмотреть, сравнить и проанализировать целесообразность использования различных видов генерации в суровых климатических условиях Крайнего Севера. Объективно, серьезной альтернативы атомной энергетики при условии уменьшения затрат на эксплуатацию и снижение углеродного следа, не существует, поэтому к реализации по результатам бенчмаркинга планируется именно проект атомного источника энергоснабжения.

Однако, атомный мобильный источник энергоснабжения, по сути является транспортной атомной станцией малой мощности, поэтому и требования к ее эксплуатации, безопасности и автономности очень высокие. Участникам будет предложено разработать концепцию ее применимости, привести экономическое обоснование проекта, рассчитать необходимую мощность для конкретных нужд и, самое главное, провести обоснование безопасности в случае аварийной ситуации.

Партнер проекта: Акционерное общество «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И.Лейпунского»

2. Робототехнический комплекс для демонтажа графитовой кладки и металлоконструкций реактора РБМК-1000

Руководители проекта: Сидоров Н.М., Подосинников А.А., Бирюков А.Н.

Аннотация: Атомные электростанции (АЭС) являются одним из важных источников электроэнергии в нашей стране: за 2021 год доля в общей выработке выросла до 20%. Образно говоря, каждая пятая лампочка горит благодаря энергии атомного ядра. Однако у любого окружающего нас технического объекта имеется свой срок эксплуатации, по завершении которого он, как правило, должен быть утилизирован, и атомные электростанции не являются исключением. 

21 декабря 2018 года, после 45 лет выработки электроэнергии, энергоблок №1 Ленинградской АЭС с реактором РБМК-1000 был остановлен для последующего вывода из эксплуатации. Данное событие положило начало постепенному останову крупных энергоблоков АЭС и их замещению на новые мощности в нашей стране. 

Современный уровень развития науки и техники позволяет рассматривать применение роботов в процессах вывода из эксплуатации ядерных реакторов. Актуальность данного технологического решения подтверждается решениями ведущих научно-технических организаций атомной отрасли, а также самих станций, которые направлены на минимизацию человеческого участия в данных операциях, так как они являются радиационно опасными. В связи с этим в рамках реализации демонстрационного проекта необходимо сконструировать уменьшенную копию РТК и макет фрагмента реактора РБМК-1000 для демонстрации демонтажа созданной копией РТК компонентов макета реактора.

Партнер проекта: Акционерное общество «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А.Доллежаля»

3. Поиск направлений повышения эффективности энергосберегающих биотопливных элементов

Руководитель проекта: Кусачева С.А.

Аннотация: Основная задача проекта — поиск путей повышения эффективности биотопливных элементов (БТЭ, МТЭ, МТЭЛ), принцип действия которых заключается в использовании специальных свойств микроорганизмов, генерирующих электрический ток. В настоящее время известен ряд конструкций таких устройств, а также специальные электрогенные микроорганизмы. Однако КПД этих конструкций невысок, а коллекционные штаммы дороги и не всегда доступны. В рамках проекта будет осуществляться поиск способов повышения эффективности биотопливных элементов. К ним относятся: разработка новых конструкций МТЭЛов, создание батарейных конструкций, применение различных катализаторов, соединение электродов в цепь, увеличение площади электродов, создание электродов сложной конфигурации, применение магнитного поля.

Планируется разработка новых конструкций биотопливных элементов, изготовление электродов разной формы, 3D-печать, последовательное соединение электродов, исследование влияния температуры, концентрации микроорганизмов, магнитного поля, применения катализаторов на производительность биотопливных элементов, а также поиск оптимальных природных сообществ микроорганизмов. Результаты будут обрабатываться при помощи компьютерных программ. Будут выбраны универсальные критерии оценки параметров электрогенной активности. Также будут разработаны программы по применению биотопливных элементов в городском хозяйстве, промышленности, на очистных сооружениях и экстремальных условиях обитания человека.

Партнер проекта: Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана

4. Автоматизированный каталог ESG-решений для энергетических предприятий

Руководитель проекта: Глушкова Т.С.

Аннотация: ESG-принципы (экология, социальная политика и корпоративное управление) активно включаются в стратегии развития энергетических компаний. В широком смысле это устойчивое развитие энергетики и основа развития отрасли. Безусловно, для энергетических предприятий основным вопросом ESG-повестки являются вопросы экологии, один из них — снижение углеродного следа. Как найти пути его реализации в текущем моменте, на что сделать упор, как найти баланс между разными сторонами вопроса — важная задача, которую необходимо решить. В проекте мы разберемся с направлениями развития отрасли и составим концепцию развития энергетических предприятий, которая как конструктор будет учитывать разные предлагаемые меры и оценивать эффект по ESG-критериям. В итоге теоретические знания будут обработаны в виде онлайн-каталога решений, автоматически генерируемых для энергетических предприятий. Также мы смоделируем пример предприятия (или локальной энергосистемы) — лидера в области устойчивого развития и реализуем его в виде управляемого макета.

Партнер проекта: Публичное акционерное общество «РусГидро»

5. Разработка концентратора лучей для повышения эффективности солнечных панелей

Руководитель проекта: Мягких М.К.

Аннотация: Концентратор солнечных лучей для солнечной панели представляет из себя систему оптических элементов, позволяющую собирать солнечный свет с поверхности, чья площадь превышает площадь солнечной панели, и фокусировать его на поверхность солнечной панели. Подобная фокусировка света позволяет увеличить электрическую мощность, которую может генерировать панель при неизменном освещении. Таким образом, использование концентраторов может позволить сократить количество солнечных панелей, необходимых для выработки заданной электрической мощности, и напротив — увеличить суммарную мощность солнечной станции при неизменном количестве солнечных панелей. Как правило, основными оптическими элементами концентраторов выступают зеркальные поверхности, что может сделать применение концентраторов экономически более выгодным, чем увеличение числа панелей при необходимости увеличения вырабатываемой мощности. 

Основные задачи проекта: 

1. Сбор и систематизация информации об основных типах солнечных панелей, их характеристиках и особенностях.
2. Анализ существующих технологий увеличения эффективности солнечных панелей.
3. Разработка методики проведения экспериментов по оценке эффективности солнечной панели при работе с концентратором и без него.
4. Проведение серии испытаний используемой в проекте солнечной панели для уточнения ее характеристик (по разработанной методике). Сбор статистики.
5. Разработка оптической схемы концентратора солнечных лучей. Отрисовка чертежей основных узлов устройства, решение связанных инженерных задач.
6. Сборка и доводка концентратора солнечных лучей.
7. Проведение серии испытаний солнечной панели при ее работе с использованием концентратора (по разработанной методике). Сбор статистики.
8. Статистическая обработка экспериментальных данных, полученных в ходе всех испытаний.
9. Проведение финансовых расчетов с опором на полученные экспериментальные данные (оценка целесообразности применения подобных решений для увеличения эффективности солнечных панелей для частного и промышленного использования).
10. Подведение итогов работы, анализ возможных путей развития проекта. Презентация результатов. 

При наличии возможности будет разработан цифровой двойник устройства с использованием языка Python.

Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе» РАН