Новые энергоисточники для Арктики и дальневосточного «гектара».

Анатолий Чомчоев

• население арктической зоны Республики Саха (Якутия) ежегодно уменьшается. Жители в поисках работы и заработков вынуждены мигрировать в крупные населенные пункты и города. Одновременно в Арктике появляются вахтовики по добыче полезных ископаемых и военнослужащие для обеспечения безопасности российской арктической границы. В последние годы высшее руководство Российской Федерации принимает государственный протекционизм по освоению Дальнего Востока путем бесплатного предоставления одного гектара свободной земли. Для освоения дальневосточного «гектара» и арктической зоны, прежде всего, необходимо решить дешевое электро-теплоснабжение жилого помещения, гаража для техники и помещения для животных в условиях холодного климата.

Продолжится ли потепление в Арктике или придет похолодание

В начале января месяца этого года в с. Колымское¹ и с. Андрюшкино² арктического Нижнеколымского района Якутии заканчивалось топливо для дизельных электростанций. Энергетики в январские морозы в целях экономии топлива начали веерные отключения. К концу месяца такое положение стало в 6 селах Усть-Янского района³. Автозимники, которые раньше открывались в ноябре-декабре месяце, в этом году не были готовы из-за тонкого льда на реках и поздним замерзанием болот. Снег в этом году в арктических районах глубокий и ветры сильные и частые, не как обычно, поэтому метели спрессовали снег, преграждая проезд даже легкой бульдозерной техники. Такое положение было в Якутии в 2013 году, когда уголь и продукты питания возили самолетами, дизельное топливо - вертолетами⁴.

На самом деле такая сложная зима и усиление ветра для Якутии давно прогнозировалась и в будущем с завозом грузов в арктические районы будет еще сложнее. "В Арктике теплеет в 2,5-3 раза теплее, чем в среднем на планете, это явление отмечено в последние 20-30 лет. Если в среднем полушарии температура последние 30 лет увеличивалась на полградуса, то в Арктике - на 1,5", - говорит доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории теории климата Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и заведующий Лабораторией климатологии Института географии РАН Владимир Семенов в интервью ТАСС, опубликованное 31 января 2017 года⁵. Будущее климата в Арктике, как добавляет эксперт, до сих пор остается загадкой для мировых ученых, которые не могут сказать, продолжится ли современное потепление в Арктике, или это очередной цикл, за которым снова придет похолодание. Далее климатолог отмечает, что если потепление будет продолжаться, следовательно, существует вероятность того, что к 2030 или 2040 году в Арктике льда летом не будет. В отсутствии льда летом в Арктике, Северный морской путь будет свободен, но вечная мерзлота будет быстро таять, что приведет к негативным последствиям. «Вся инфраструктура построена на вечной мерзлоте, сами грунты в арктической зоне мягкие, поэтому, когда мерзлота оттает, все сооружения просто поедут и перестанут держаться", - добавляет ученый. Поэтому парламент Якутии своевременно разрабатывает проект закона об охране и использовании вечной мерзлоты⁶.

Проблемы возобновляемых источников энергии

Энергетики Дальнего Востока, куда относятся якутские энергетические предприятия, «по европейской моде», строят мегаваттные солнечные электростанции за полярным кругом в п. Батагай⁷ (поэтому попали в книгу рекордов Гиннеса) и других населенных пунктах Якутии, где 8-10 месяцев заснеженная зима и полторы месяца нет солнца (полярные ночи), а летом солнце по низкой орбите вращается на 340-350^о. Огромные по размеру солнечных модулей, расположенных на нескольких гектарах земли, зимой надо чистить от снега, а летом еще вращать на трекерах за солнцем или упустишь около 70% получаемой электроэнергии, мыть специальной жидкостью от пыли и грязи. Как правило, ныне все промышленные солнечные модули в Якутии устанавливаются без трекера. При этом в мире пока не изобретена легкая по весу, маленькая по размеру, мощная по емкости и дешевая по стоимости аккумуляторная батарея для солнечной электростанции (СЭС). Также отсутствует надежный, но низкий по стоимости инвертор для преобразования постоянного тока аккумуляторных батарей в переменный ток. Таким образом, в мировой практике использования солнечной энергии для выработки электричества, самым слабым звеном является не солнечная модуль, а проблемы аккумуляторных батарей и инвертора. Все эти недостатки задерживают развитие использования солнечной энергии и субсидируется всеми государствами или все расходы СЭС включаются в тарифы (как в Якутии). Так же все государства субсидируют и лоббируют все виды возобновляемых источников энергии (ВИЭ), за исключением ГЭС. В итого опять выигрывают энергетики, получив название «инноваторов» и/или «пользователей ВИЭ», а налогоплательщик остается в проигрыше. Такое же положение с использованием энергии ветра: ветроэнергетические установки (ВЭУ) заряжают малоемкие аккумуляторные батареи и где тоже применяются дорогие инверторы. ВИЭ в мировой практике из-за экономической неэффективности и высокой зависимости от природы, даже островные государства не применяют.

Где тариф на электричество дешевле в мире

Так, по данным за 2011-2014 годы, самый высокий тариф на 1 кВт/час имеют островные государства (в пересчете курса 1 доллара США равным 60 рублей): на Соломоновых островах 56 рублей, а самое дешевое электричество в нефтедобывающих странах: Кувейт – 60 копеек⁸ (таблица 1). Россия за 2011-2014 годы в рейтинге стран с самым дешевым электричеством находилась на 13 месте – 2,96 рубля (по курсу рубля тех времен).

Таблица 1. Сравнение с Россией самой высокой и низкой

стоимости электроэнергии с указанием среднемесячной

заработной платы по странам мира.

Тарифы на электричество на 1 января 2017 года для городского населения Якутии 5,47 рублей за кВт/час, для сельского – 3,83, при среднем тарифе по России – 3,83 рубля¹⁹. Себестоимость выработки одного киловатт электроэнергии, вырабатываемой на объектах дизельной генерации, стоит 32,78 руб., централизованной – 3,67 руб. При этом, себестоимость кВт/час выработки ДЭС в арктических районах Якутии еще 2013 году была 97 рублей²⁰. Поэтому промышленные потребители вынуждены нести дополнительную финансовую нагрузку, чтобы обеспечить более низкие тарифы для населения арктических районов и объем перекрестного субсидирования в 2015 году составило 6 млрд. рублей²¹. К концу 2016 года Госкомцен Якутии уточнил объем перекрестного субцидирования и назвал 6,8 млрд рублей в год и еще на выравнивание тарифов требует 13 млрд. рублей²².

Таким образом, если Правительство Якутии будет сидеть и ждать когда появятся деньги в бюджете, то арктические и северные районы Якутии, использующие дизельные электростанции (ДЭС) дойдут до положения островных государств как Соломоновы острова, Тонга и Острова Кука, где электроэнергию для освещения имеют ограниченное количество населения и то с подачей только в темное время суток. Кроме того, Правительству Якутии надо учитывать изменение климата, удешевление услуги теплоснабжения котельных и решить вопрос возвращения молодежи в сельской местности.

Предложения «Испытательного Полигона Холода» по инновациям

Вот я со своей семьей, после выхода на пенсию, 9 лет проживаем в тайге на высоком открытом берегу большой реки в сорока шести километрах от города Якутска, создав на общественных началах «Испытательный Полигон Холода». Здесь зимой холода до -60^оС, летом жара до +40^оС. Среднегодовая температура -9,3^оС. С первых дней используем только СЭС и ветроэнергетические установки (ВЭУ), исследуем их на практике. После шести лет эксплуатации, из-за отсутствия энергетического ветра и проблемами замерзания генератора ВЭУ в самые холодные дни, оставили только одну ВЭУ для демонстрации, остальных демонтировали. СЭС по выше перечисленным причинам (аккумуляторов и инвертора), экономически эффективна только мощностью до 1,5 киловатт. К таким выводам по использованию ветряной и солнечной энергии мы пришли еще в 2010 году и я обратился к коллегам по работе ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС, по разработке совершенно нового радионуклидного ядерного энергетического источника электрической и тепловой энергии (когенератора) микро и малой мощности от 15 кВт до 10 МВт (далее ЯЭИ). Мои знакомые физики-атомщики были против моей идеи, за исключением всемирно известного атомщика академика Виктора Михайлова, министра атомной энергии России 1992-1998 годы²³. Мы с ним начали работать над созданием когенератора, ЯЭИ четвертого поколения на общественных началах. К нам присоединились молодые инноваторы Министерства обороны России. Но случилась беда, Виктор Никитович в июне 2011 года скончался на 78-м году жизни. В связи с этим, результаты своих исследований использования ВИЭ и идею создания ЯЭИ нового поколения я докладывал на различных научных площадках, перед учеными энергетиками АТЭС в г. Владивостоке в октябре 2012 года, на Второй Всероссийской конференции развития малой распределенной энергетики в России в ноябре 2012 года в г. Москве, в Институте теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН в марте 2013 года²⁴, международной научно-практической конференции «Арктика: перспективы устойчивого развития» в ноябре 2014 года в г. Якутске²⁵. Вначале моя идея разработки микро и малой мощности ЯЭИ должного внимания не получила, но с конца 2014 года в Росатоме стали разрабатывать теорию использования микро мощности ЯЭИ по заказу Министерства обороны России^26,27. Оказалась теоретическая правильность такого направления создания ЯЭИ²⁸. Ныне даже в Международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ) поняли перспективность российской теории атомных станций малой мощности (АСММ) и особо отмечают, что размер ядерного реактора является национальным решением, которое каждое государство-член должно принимать на основании собственных потребностей и существующих условий²⁹.

Ядерные энергетические источники четвертого поколения

Первые крупные атомные электростанции (АЭС) во всех странах мира в основном предназначались для получения оружейного плутония (наработки специальных нуклидов), а потом для выработки электроэнергии. Поэтому АЭС имели мощность более 300 МВт и были взрывоопасными. АЭС мощностью менее 300 МВт называются атомными станциями малой мощности (АСММ). Более того, по правилам МАГАТЭ, если у энергетического источника на принципах цепной ядерной реакции теплоноситель на выходе имеет температуру менее 650 градусов тепла, то такой ЯЭИ разрешается эксплуатировать в бытовых условиях при надлежащем контроле, как рентген-аппараты и МРТ в больницах. В нашем случае речь идет на выходе теплоносителя температурой не более 600 градусов тепла, а реакторная установка не взрывоопасная и совершенно безопасная. Кроме России, в других странах мира нет теоретических разработок физики ЯЭИ наземного применения на 15 кВт и 100 кВт, не говоря технологий изготовления. В цепочке технологии изготовления реакторной установки микромощного ЯЭИ имеются несколько ноу-хау, которых даже передовые ядерные центры США до сих пор практически не решили³⁰. В результате российские ЯЭИ мощностью 15 кВт, 10 кВт, 5 МВт и 10 МВт могут работать в течение 30-50 лет одной загрузкой, без обслуживающего персонала, вырабатывая электроэнергию и тепло. Тепло вырабатывают в 4 раза больше, чем установленная электрическая мощность. Поэтому такие ЯЭИ относятся к четвертому поколению АЭС и правильно называются твердооксидными тепловыми станциями (ТОТЭС). ТОТЭС работают без ксенонового «отравления» реактора и «шлакования» с глубоким выгоранием (кинетикой выгорания) ядерного топлива с гарантированным обеспечением критичности реактора без нарабатывания нового топлива. Поэтому ТОТЭС не взрывоопасна! В руководстве Росатома уже думают о выделении финансирования НИОКР ЯЭИ четвертого поколения, но не знают их востребованность. По нашим расчетам, для НИОКР ТОТЭС на 15 и 100 кВт и АСММ на 5 и 10 МВт требуется около 10 миллиарда рублей (ФОТ четырех больших групп конструкторов, проектировщиков, изыскателей, химиков по топливным элементам и т.д).

Для примера, ТОТЭС на 100 кВт (далее ТОТЭС-100) без снижения электрической мощности может выработать более 0,2 Гкал/ч. Это в годовом объеме производства – 1752 Гкал., что позволяет отопить около 40 тыс. кв. м. или обеспечить теплом – 2 тыс. человек. Реакторное устройство ТОТЭС-100 будет размером небольшой тумбочки и весом около 30 кг. ТОТЭС кроме реакторного устройства имеет газотурбинный преобразователь, систему теплофикации и теплосброса, и конечно обычный генератор. ТОТЭС-100 по размеру в два раза меньше, чем ДЭС аналогичной мощности и будет размещаться в контейнере, который зарывается в землю глубиной 4-6 м. (требования МАГАТЭ для АСММ). Предварительная стоимость серийного образца – 100 млн. рублей (входит в НИОКР). Стоимость промышленного образца зависит от количества заказов. При большом количестве заказов, например, в количестве не менее 10000 штук, розничная стоимость одной ТОТЭС-100 будет не более 500 тыс. рублей. Стоимость ТОТЭС можно еще уменьшить. По окончанию срока службы, ТОТЭС направляется для утилизации в специализированное предприятие, по схеме утилизации рентген-аппарата.

Предлагаемые практические действия

Для разработки технико-экономического обоснования (ТЭО), Технического задания (ТЗ) использования ТОТЭС в холодных условиях Якутии и лоббирования НИОКР в ФЦП России или Росатоме, предлагаю в Якутске под моим руководством создать временный творческий коллектив (ВТК) с финансированием оплаты работы 4 специалистов и командировочные расходы. ТЭО не только сбор статистических данных о ДЭС и котельных в Якутии, а учет коэффициента воспроизводства и удельной энергии работы реактора, глубокий экономический анализ ядерно-энергетической экономики Якутии, арктической зоны России и дальневосточного «гектара». Разработка ТЗ один из сложных, но для нашего небольшого коллектива будет посильным, так как мы практически знаем всех ученых-энергетиков в Якутске, которых можно привлечь, специалистов по «турбинам», дизелям, генераторам, инженеров ЯГРЭС, ЯТЭЦ, «Сахаэнерго», которые имеют 40-летние опыты практических работ в эксплуатации ГТУ и дизелей в сложных климатических условиях Якутии. Я сам работал в ОАО «Якутскэнерго» более 10 лет и как профессиональный военный инженер, долгие годы занимался эксплуатацией и испытанием газотурбинных и поршневых двигателей военного назначения в сложных климатических условиях Хабаровского края, Амурской и Сахалинской областей, северного Казахстана, Подмосковья, Якутии и других регионах бывшего Советского Союза.

• новизны и пилотного характера создания ТОТЭС, актуальности проблемы когенерации электрической и тепловой энергии на базе ядерного энергетического источника четвертого поколения, при заинтересованности общественности Якутии, НИОКР можно в 2017 году включить в ФЦП. Если НИОКР будет начат в этом году, то первый серийный образец можно получить через год-полтора и приступить к испытанию под Якутском в «Испытательном Полигоне Холода». Мы ученых-атомщиков можем убедить в первую очередь разработать и испытать ТОТЭС на 15 кВт для обеспечения потребностей по электричеству и теплу (когенерации) дальневосточного «гектара». «Гектары» будут выдаваться в отдаленных местностях, вне централизованного энерго-теплоснабжения, поэтому обладатели «гектаров» будут первыми покупателями.

Американцы тоже поняли экономическую бесперспективность в ближайшие годы ВИЭ, и тоже уже разрабатывают АСММ мощностью 1-10 МВт³¹. Имеется опасность: узнав российскую теорию разработки ТОТЭС в материалах МАГАТЭ, зарубежные конкуренты как США, Китай, Южная Корея, Европейский Союз и другие могут быстро вложить деньги на НИОКР и даже раньше России смогут создать ТОТЭС.

В ходе обсуждения «Стратегии 2030» Якутии я через Интернет озвучил проблему решения северного завоза по доставке дизельного топлива и угля, возможных последствий глобального потепления для Якутии³², но подвижек пока по ней нет. Также в январе 2011 года я направлял открытые Обращения к руководству республики по данному вопросу через персональный раздел, предоставленный мне общественно-политической интернет газетой «В Якутии ru»³³, практически ничего не изменилось, и как отметил в начале статьи, были одни «затыкания» чрезвычайных ситуаций, типа доставки угля самолетами для котельных арктических районов.

Роль общественности Якутии по внедрению инновационного проекта ТОТЭС

Уважаемые жители Якутии, предлагаю рассмотреть мое предложение для объединения усилий в практическом решении электро-тепло обеспечения отдельных домов и малых населенных пунктов арктических и северных районов Якутии. Внесите мне свои предложения и замечания по созданию конкурентоспособной российской твердооксидной тепловой электростанции (ТОТЭС) и как финансировать ВТК. В России по сведениям разных источников число ДЭС более 25 тысяч³⁴ или более 50 тысяч³⁵, а котельных еще больше. В дальневосточную программу бесплатного выделения одного гектара земли на 12 февраля 2017 года подали заявку 58887 человек³⁶. Это потенциальные потребители ТОТЭС-15. Поэтому как в русской пословице «дорога ложка к обеду», промышленный выпуск ТОТЭС-15 стал бы инновационной поддержкой социальной программы Правительства России дальневосточного «гектара» с подачи общественности Якутии. Древняя народная мудрость гласит: если хочешь помочь голодному, дай ему не рыбу, дай удочку. Хотя наша молодежь не голодная, но для них для возвращения к землям предков, ТОТЭС смогут играть роль «удочки» для привлечения молодежи к селу и освоению заброшенных сельских угодий в Якутии. ТОТЭС есть прорывное энергетическое техническое устройство шестого технологического уклада и я знаю дорожную карту создания твердооксидной тепловой электростанции.

В порядке примера безопасности радионуклидных ядерных источников энергии можно привести использование их в медицине в качестве ядерного кардиостимулятора (ЯКС). Так в США первый ЯКС на основе плутония-238 был установлен в 1973 году. Тогда ЯКС стоил 23 тыс. доллара США. Пациентка до сих пор проживает в США в добром здравии³⁷, а пользователей ЯКС в мире с каждым годом ныне растет. В России ЯКС собственного производства тоже широко применяются. Второй пример: в прошлом году российские ученые создали ядерную батарейку переменного напряжения на 10 вольт, размером 1см х 0,5 см, используя изотоп никеля-63, со сроком работы 50 лет, стоимостью 10 тыс. рублей для электропитания различных датчиков и приборов³⁸.

Примечание: все математические и экономические расчеты ТОТЭС и АСММ проведены мною на основе книги «Почти все о ядерном реакторе»³⁹ и других ^40,41 специализированных литератур открытой печати.

Использованные источники

1. В селе Колымское помимо нехватки топлива заканчиваются продукты. Электронный ресурс:

http://yakutsk.ru/news/Kriminal/v_sele_kolymskoe_pomimo_nekс.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

Чомчоев Анатолий Игнатьевич, полковник в отставке. Начальник штаба оперативной группы особой зоны на Чернобыльской АЭС (Укрытие) в марте-апреле 1988 года.

27 февраля 2017 года. г. Якутск. tea1951@mail.ru 8(914)2733995, 8(924)4699779.