Разработка технологии круглогодичного управляемого искусственного промораживания грунтов с использованием возобновляемых источников энергии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-20026

НазваниеРазработка технологии круглогодичного управляемого искусственного промораживания грунтов с использованием возобновляемых источников энергии

Руководитель Коршунов Алексей Анатольевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова" , Архангельская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова вечная мерзлота, многолетнемерзлые грунты, сезонномерзлые грунты, морозное пучение, тепловой насос, холодильные машины, фотоэлектрические модули, утилизация низкопотенциальной теплоты

Код ГРНТИ44.31.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Локтионов Е.Ю., Клоков А.В., Шараборова Е.С, Возможности применения возобновляемых источников энергии для термостабилизации грунтов Фундаменты, №4, 2022. с. 10-12 (год публикации - 2022)

2. Коршунов А.А., Рудакова А.В. Определение давления всасывания поровой влаги глинистыми грунтами различного генезиса Сборник материалов IV Всероссийской (национальной) научно-практической конференции (год публикации - 2023)

3. Тутунин А.С., Локтионов Е.Ю. A Coordination of the Capacities of the Hybrid Renewable Energy System and the Seasonal Variable Load Following the Intermittent Generation 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 22962559 (год публикации - 2023)
10.1109/REEPE57272.2023.10086734

4. Клоков А.В., Локтионов Е.Ю. Configuring an Off-Grid Hybrid Renewable Energy System in the Arctic Zone 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 22962597 (год публикации - 2023)
10.1109/REEPE57272.2023.10086709

5. Клоков А.В., Тутунин А.С., Шараборова Е.С., Коршунов А.А., Локтионов Е.Ю. Inverter Heat Pumps as a Variable Load for Off-Grid Solar-Powered Systems Energies, V. 16, № 16, P. 5987 (год публикации - 2023)
10.3390/en16165987

6. Егорова О.В., Клоков А.В., Локтионов Е.Ю. Life Cycle Costs of Stand-Alone Monitoring Systems in the Arctic 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 10291162 (год публикации - 2023)
10.1109/UralCon59258.2023.10291162

7. Бадамшина С.Ю., Клоков А.В., Локтионов Е.Ю. Opportunities for Economic Efficiency Increase in Renewable Energy Powered Off-Grid Systems 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 10291053 (год публикации - 2023)
10.1109/UralCon59258.2023.10291053

8. Локтионов Е.Ю., Шараборова Е.С., Клоков А.В., Бахмадов А.В., Коршунов А.А. О возможности продления сроков эксплуатации автозимников с использованием возобновляемых источников энергии Арктика: экология и экономика, Т. 13, № 4. С. 447—455 (год публикации - 2023)
10.25283/2223-4594-2023-4-447-455

9. Клоков А.В., Чуркин С.В., Мельников А.В., Локтионов Е.Ю. О погрешности расчетной оценки теплового потока в грунт TRANSOILCOLD 2023 Материалы 6-го Международного Симпозиума по строительному инжинирингу грунтовых сооружений на транспорте в холодных регионах., 117-119 (год публикации - 2023)

10. Шепитько Т.В., Коршунов А.А., Локтионов Е.Ю., Шараборова Е.С. Применения возобновляемых источников энергии для активных систем термостабилизации грунтов TRANSOILCOLD 2023. Материалы 6-го Международного Симпозиума по строительному инжинирингу грунтовых сооружений на транспорте в холодных регионах, С. 14-16 (год публикации - 2023)

11. Шараборова Е.С., Тутунин А.С., Бадамшина С.Ю., Локтионов Е.Ю. О возможности замедления термоабразии береговых обрывов с использованием возобновляемых источников энергии TRANSOILCOLD 2023. Материалы 6-го Международного Симпозиума по строительному инжинирингу грунтовых сооружений на транспорте в холодных регионах, С. 180-182 (год публикации - 2023)

12. Шараборова Е.С., Клоков А.В., Васильева А.В., Локтионов Е.Ю. Система продления сроков эксплуатации автозимников TRANSOILCOLD 2023. Материалы 6-го Международного Симпозиума по строительному инжинирингу грунтовых сооружений на транспорте в холодных регионах, С. 183-185 (год публикации - 2023)

13. Локтионов Е.Ю., Шараборова Е.С., Клоков А.В., Тутунин А.С. Активные системы термостабилизации многолетнемерзлых грунтов с использованием возобновляемых источников энергии Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций в Арктической зоне Российской Федерации. материалы научно-практической конференции, С. 199-202 (год публикации - 2023)

14. Локтионов Е.Ю., Клоков А.В., Тутунин А.С., Шараборова Е.С. Подходы к проектированию автономных гибридных энергоустановок с возобновляемыми источниками энергии для обеспечения максимального экономического эффекта Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций в Арктической зоне Российской Федерации. материалы научно-практической конференции, С. 203-205 (год публикации - 2023)

15. Бадамшина С.В., Клоков А.В., Локтионов Е.Ю. Case study of microgeneration for power supply in remote island communities Proceedings of the 2024 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2024, Proceedings of the 2024 6th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2024 (год публикации - 2024)
10.1109/REEPE60449.2024.10479866

16. Локтионов Е.Ю., Шараборова Е.С., Клоков А.В., Маслаков А.А., Сотникова К.С., Коршунов А.А. Технологии сохранения мерзлотников (ледников) для обеспечения устойчивого развития северных поселений Арктика: экология и экономика, Арктика: экология и экономика. — 2024. — Т. 14, — № 1. — С. 116-126. (год публикации - 2024)
10.25283/2223-4594-2024-1-116-126

17. Коршунов А.А., Чуркин С.В., Невзоров А.Л. Индекс миграции влаги как характеристика пучинистости грунтов Construction and Geotechnics, Construction and Geotechnics. – 2024. – Т. 15, № 3. – С. 79–90. (год публикации - 2024)
10.15593/2224-9826/2024.3.07

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Впервые получены данные по тепловым потокам на поверхности сезонных охлаждающих устройств с фреоном и антифризом в холодном контуре теплового насоса при сохранении всех прочих равных условиях. Показано 3-кратное преимущество использования фреона R-32 по интенсивности теплообмена. Выполнено 3D-моделирование и проведена оценка возможности создания зданий на легких фундаментах с полами по грунту, при этом тепло, отводимое из многолетнемерзлого грунта, используется для обогрева этого здания. Для питания теплового насоса в южных районах распространения ММГ достаточно энергии, производимой фасадной солнечной электростанцией. Показан значительный экономический эффект: снижение капитальных затрат на 44%, эксплуатационных затрат на 61%, а также существенное сокращение сроков строительства свайного поля и времени предпостроечного промораживания основания. Выполнено моделирование технико-экономических показателей активной термостабилизации свайного основания многоэтажного здания с солнечным фасадом и использованием отводимого тепла на нужды ГВС, в этом случае энергии при использовании теплового аккумулирования достаточно для нужд ГВС вплоть до полярного круга. Несмотря на увеличение капитальных затрат на строительство здания существенно снижаются эксплуатационные затраты. Выполнен анализ накопленных экспериментальных данных и на основе них проведена верификация использованных расчетных моделей. Корректировки расчетных моделей генерации энергии солнечными батареями, преобразования электрической энергии в тепловую в горячем и холодном контурах не потребовалось, уточнены значения некоторых коэффициентов. Выполнен анализ технико-экономической целесообразности экранирования солнечного излучения при горизонтальном или наклонном расположении солнечных батарей по сравнению с большей выработкой при вертикальном расположении двусторонних. Результат зависит от широты и других особенностей конкретной местности, но севернее 60 с.ш. везде итоговый охлаждающий эффект выше при использовании вертикальных двусторонних солнечных батарей. Экономически целесообразность применения предлагаемых технологий имеет место показана на всей территории распространения ММГ для самых разных задач. Несмотря на высокие капитальные затраты около 20 тыс. руб./м2 (при этом они сопоставимы с СОУ), достигается низкая совокупная стоимость владения, возможностью окупаемости в течение 1-3 лет за счет реализации бросовой энергии. Рекомендации по применению разработанных в данном проекте технологий следующие: необходимо проводить оценку критических для сохранения ММГ горизонтов и сроков поступления тепла с учетом изменений климата, определить основной источник разрушающего действия (для наземных объектов - это поступление тепла от солнечного излучения и конвекции с теплопроводностью от поверхности, для береговых часто - волновая эрозия); оценить целесообразность применения принудительной термостабилизации по сравнению с пассивной, в т.ч. с использованием предложенного и испытанного нами способа с сезонно перемещаемой теплоизоляцией; при необходимости использования принудительной термостабилизации (в т.ч. в сочетании с пассивной) выбрать горизонт расположения грунтовых зондов, исходя из стоящих задач (для большинства задач - это приповерхностная область на глубине 20-40 см, для ускоренного предпостроечного промораживания - это пяты свай даже при вышележащих таликах), и теплоноситель в них (предельные отводимые зондом тепловые потоки измерены на уровне 300 Вт/м2 для антифриза, 900 Вт/м2 для фреона); далее необходимо выбрать основной возобновляемый источник энергии (для наземных объектов это будет солнце, для береговых - ветер) и определить, куда можно передавать излишки электроэнергии (например, для систем мониторинга); определить оптимальный способ сброса тепла (наиболее эффективен сброс тепла в проточные водоемы, при средней температуре воздуха в самый жаркий месяц не выше 12 С - в воздух) не только с технической, но и с экономической точки зрения (всегда можно использовать его для горячего водоснабжения, но наибольшая выгода достигается при обогреве теплиц). По результатам проведенных исследований обоснован способ оценки степени пучинистости грунтов по показателю миграционного потока. Введен новый классификационный показатель, характеризующий пучинистость грунтов - приведенный индекс миграции (Iw), определяемый по величине перераспределения влаги в закрытой системе в условиях продолжительной остановки фронта промерзания. Для определения индекса миграции влаги может быть использована корреляционная экспоненциальная зависимость удельного электрического сопротивления от влажности, которая была получена по результатам испытаний образцов глинистых грунтов по двухэлектродной схеме в специально разработанном модуле. Проведены наблюдения за процессами промерзания и оттаивания пучинистых грунтов на экспериментальном участке. Получены графики интенсивности миграции влаги в естественных условиях промерзания. Проведены эксперименты с глинистыми грунтами, отобранными с экспериментального участка, в лабораторных условиях с контролем за температурой, изменением влажности, деформациями пучения. По результатам полевых и лабораторных экспериментов выполнена верификация способа определения приведенного индекса миграции влаги (Iw) в лабораторных условиях с учетом влияния на индекс миграции процессов влагонакопления и перераспределения влаги в естественных условиях при промерзании по закрытой схеме. Выполнено численное моделирование процессов промерзания-оттаивания грунтов по результатам лабораторных экспериментов и полевых наблюдений с целью подготовки рекомендаций по применению численных моделей грунтов для прогноза поведения пучинистых грунтов. Однако использование существующих моделей грунтов не позволило решить задачу достоверного прогноза деформаций пучения/усадки в связи с тем, что общепринятые математические модели грунтов не имеют характеристик, определяющих возможность моделирования льдонакопления в промерзающем слое. Решение этой задачи заключается в разработке термо- гидро- механической модели промерзающего и оттаивающего грунта. Разработан научно-обоснованный подход к созданию термо- гидро- механической модели промерзающего-оттаивающего глинистого грунта, в основу которого положено решение теплофизической задачи с учетом скрытой теплоты фазовых превращений, перераспределение влаги от градиента температур в промерзающем слое и скорости промерзания, а также зависимость деформаций морозного пучения от интенсивности миграции влаги по приведенному индексу миграции.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Известно что изменения климата в Арктике проявляются в несколько раз значительнее, чем в среднем на планете. В частности, повышается температура грунта. При этом существующие системы термостабилизации начинают работать на нерасчетных режимах, что в конечном итоге приводит к снижению несущей способности грунтов основания сооружений на 25-75%. При этом значительная часть инфраструктуры уже имеет существенный износ, в сочетании со снижением несущей способности – это может привести к значительным материальным потерям, экологическому ущербу, необходимостью использования значительных финансовых ресурсов на реконструкцию или новое строительство. Пассивные системы термостабилизации, как сезонные охлаждающие устройства, не всегда гарантируют сохранение грунта в мерзлом состоянии. Активные же системы, использующие холодильные машины, требуют значительных эксплуатационных затрат, связанных с необходимостью подвода электроэнергии. Мы создали систему гарантированной термостабилизации грунтов, основанную на применении теплового насоса, питаемого от возобновляемых источников энергии. Причем солнечные батареи используются не только для энергоснабжения, но и для существенного снижения потока тепла в грунт, экранируя солнечную радиацию и жидкие осадки. Дополнительными преимуществами является то, что создается распределенный по объекту источник электроэнергии, например, для системы геотехнического мониторинга; также отводимое тепло может быть использовано для отопления (в т.ч. теплиц, существенно улучшая условия для местного производства сельхозпродукции и создания рабочих мест) и в технологических процессов. Таким образом, предлагаемый проект может способствовать социально-экономическому развитию региона.