| 16. |
Аннотация |
Большая часть добычи природных ресурсов (углеводородов, драгоценных металлов, алмазов) в России находится в зоне вечной мерзлоты. Зачастую, в зоне наиболее уязвимых высокотемпературной и прерывистой вечной мерзлоты. Строительство, добыча и транспортировка полезных ископаемых в зоне вечной мерзлоты всегда были сопряжены с трудностями. В связи с глобальным изменением климата этих трудностей становится все больше, поскольку климатические изменения в Арктике происходят в 2-3 раза быстрее, чем в среднем на планете. С момента строительства, несущая способность значительной части фундаментов объектов инфраструктуры снизилась на 25–75%, что создает риски значительного экономического и экологического ущерба.
По оценке министра природных ресурсов и экологии РФ А. Козлова, к 2050 г. суммарный ущерб, который может быть нанесён при отсутствии мониторинга и своевременного реагирования на таяние вечной мерзлоты, может составить не менее 5 трлн. руб. По оценкам Гринпис, по состоянию на 2009 г. в России ежегодно на ликвидацию последствий аварий, вызванных деформациями многолетнемерзлых грунтов на нефтегазовых месторождениях и продуктопроводах, тратилось ок. $1,7 млрд. С тех пор ситуация с деградацией вечной мерзлоты только усугубилась. Таким образом, рыночный потенциал составляет десятки млрд. рублей ежегодно. Причем он будет увеличиваться с дальнейшим потеплением климата и реализацией новых проектов в Арктике.
Защиты от деформации многолетнемерзлых грунтов требуют здания и сооружения на месторождениях, технологические трубопроводы, дороги, береговая инфраструктура, взлетно-посадочные полосы и т.д. Реализация тех или иных защитных мероприятий неизбежна, т.к. результатом большинства аварий будет нанесение ущерба окружающей среде. Существующие решения с одной стороны, хорошо испытаны, их реализация обеспечена нормативно-правовой базой, с другой – они становятся недостаточными в изменяющемся климате.
Главная проблема заключается в том, что эффект от традиционно используемых сезонных охлаждающих устройств (СОУ), не требующих энергоснабжения, становится недостаточным. Это значит, что вместо пассивных методов охлаждения (20–200 $/м2) должны использоваться активные, требующие энергоснабжения и потому очень дорогие (180 $/м2 + 25 $/(м2*год)). Недостаточное охлаждение грунта приводит к быстрому разрушению зданий и сооружений. Реализация предлагаемого нами способа будет стоить ок. 200 $/м2 с возможностью генерации доходов до 75 $/(м2*год) за счет использования побочных продуктов – электроэнергии и тепла.
Таким образом, внедрение предлагаемого решения должно способствовать значительному сокращению затрат на термостабилизацию многолетнемерзлых грунтов и ликвидацию последствий просадок грунта (реконструкция, компенсация ущерба, простой); снижению затрат на создание систем удаленного контроля и мониторинга; снижению затрат на электро- и теплоснабжение; предотвращению экологического ущерба; а также позволит накопить необходимые компетенции, связанные с неизбежным энергетическим переходом. В настоящее время в мире отсутствуют экономически и энергетически эффективные технологии гарантированной термостабилизации грунтов.
Суть предлагаемого нами способа заключается в следующем. Над поверхностью защищаемого участка и/или вблизи него расположены солнце-осадкозащитные навесы со встроенными в них фотоэлектрическими или тепловыми преобразователями солнечного излучения. Навесы позволяют минимизировать поступление тепла в грунт, а в зимнее время препятствуют снегонакоплению, что способствует лучшему промораживанию грунта. Преобразованная энергия солнечного излучения используется для привода теплового насоса, грунтовые зонды которого расположены на небольшой глубине (20–50 см) под защищаемой поверхностью, создавая запирающий слой, препятствующий проникновению тепла вглубь грунта. Тепловой насос с грунтовыми зондами может быть заменен «снежной пушкой» для тех же целей, например, на крупнообломочных и скальных грунтах, для защиты массивов льда, продления срока существования зимников и ледовых переправ.
При отсутствии прямой солнечной радиации, когда тепловой поток извне минимален, реализуется пассивный режим, а при ясной погоде реализуется активный режим с положительной обратной связью: с ростом интенсивности солнечного излучения увеличивается производительность холодильной машины Следует особо подчеркнуть, что во время полярной ночи, предлагаемой системе не нужно энергоснабжение, т.к. зимой отсутствует потребность в ее работе. Значительная тепловая инерция грунта избавляет систему от главной проблемы альтернативной энергетики – необходимости поддержания баланса нестабильной генерации и приоритетного потребления – здесь энергия может использоваться по мере выработки без специальных накопителей.
Создание приповерхностного слоя, запирающего проникновение тепла вглубь грунта, дает значительно лучший технический эффект, чем при использовании СОУ, замораживающих грунт на глубине ок. 10 м. Кроме того, создается распределенный по защищаемому объекту источник электроэнергии, что позволяет значительно снизить капитальные и эксплуатационные затраты для систем удаленного контроля и мониторинга. Последние, в свою очередь, обеспечивают оптимизацию работы системы термостабилизации (перераспределение мощностей). Являющееся побочным продуктом низкопотенциальное тепло (35–60°С) целесообразно не просто сбрасывать в атмосферу, а использовать в технологических процессах, для теплоснабжения жилых и служебных помещений, теплиц.
Минимальная глубина активного слоя при реализации предлагаемой технологии способствует сокращению эмиссии углекислого газа и метана и риска биологических инвазий из грунта на защищаемой площади, поскольку для них наиболее критичной является глубина протаивания 40-80 см.
Ранее проведено численное моделирование с использованием программных пакетов, специализированных для геокриологических расчетов, показывающее реализуемость данной технологии для многолетнемерзлых грунтов на всей территории России, и создана экспериментальная установка, доказывающая реализуемость данного способа для поддержания грунта в замороженном состоянии даже в Средней полосе России.
В ходе реализации данного проекта планируется создание прототипа, реализующего данную технологию в соответствующих климатических условиях на территории Архангельской области. Будет исследовано состояние грунта при реализации различных вариантов технологии и рабочих режимов; возможности оптимизации технологии для сокращения ее стоимости; сравнение технико-экономических характеристик с существующими способами термостабилизации. В результате планируется создание готовой к реализации (опытно-промышленным испытаниям) энергетически и экономически эффективной технологии для термостабилизации многолетнемерзлых и управления длительностью существования сезонномерзлых грунтов. |