Энергетика является движущей силой развития современной технологической революции и имеет важное значение как для социально-экономического развития, так и улучшения качества жизни человека. В условиях значительных глобальных климатических изменений на Земле, согласно «Концепции устойчивого развития на XXI век», для сокращения выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ от энергетического сектора экономики следует развивать экологически обоснованные энергетические системы и комплексы на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В настоящее время технологии ВИЭ, прежде всего солнечная и ветровая энергетика, развиваются с ежегодным трендом около 12–15% и всё шире внедряются в различные сферы жизни человека. Поэтому знание принципов преобразования энергии возобновляемых источников и выбор оптимальных параметров установок на их основе является актуальной и важной задачей. Технологии возобновляемой энергетики — это наиболее инновационно ёмкие, энергоэффективные и динамичные технологии, в наибольшей степени отвечающие требованиям эффективного производства и потребления энергии. Их активное использование стало локомотивом развития и энергетической отрасли, и всей национальной экономики многих развитых стран мира.

Развитие ВИЭ неизбежно связано:

  • с проведением глубоких комплексных фундаментальных и прикладных исследований по изучению процессов получения энергии от первичных источников (энергии Солнца, геотермальной и гравитационной энергии) и оценки их ресурсов с учётом временной и пространственной изменчивости;
  • созданием новых технологий вовлечения возобновляемой энергии в систему энергообеспечения и сооружение энергетических объектов;
  • изучением, оценкой и районированием природного, технического, экологического и экономического потенциала ВИЭ;
  • разработкой государственной и региональной нормативно-правовой базы использования, внедрения и стимулирования ВИЭ для централизованного и автономного/локального энергоснабжения;
  • формированием новых принципов ценообразования, инвестиционного обеспечения и оценки эффективности в сфере возобновляемых источников энергии.

Современные тренды развития экономики РФ связаны с цифровизацией всех этапов жизненного цикла создания энергетического объекта, особенного такого сложного и интегрированного в природную среду, как объект возобновляемой энергетики. Процесс создания таких сложных сооружений и объектов требует разработки и внедрения современных цифровых технологий проектирования, строительства, эксплуатации и управления, обеспечивающих высокое качество проекта, надёжность и безопасность эксплуатации, энергетическую и экономическую эффективность, минимизацию воздействия на окружающую среду [1, 2].


СПбПУ — один из старейших ведущих вузов в России. Основан в 1899 году

В связи с этим принципы подготовки научных, инженерных и технических кадров для отрасли возобновляемой энергетики России должны в полной мере отражать современные тенденции организации образовательного процесса, разумно сочетать принципы очного и дистанционного образования подготовки научных, инженерных и технических кадров.

В Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого осуществляется многоуровневая подготовка студентов (бакалавров, магистров, аспирантов) по направлению проектирования, строительства, эксплуатации и управления объектами гидроэнергетики и возобновляемой энергетики, а также проектирования гражданских зданий с использованием принципов солнечной архитектуры, энергои водосбережения, высоким классом энергоэффективности и внедрением установок ВИЭ. При этом большое внимание уделяется взаимодействию с работодателями и выполнению научно-исследовательских и практических работ под руководством сотрудников и лабораторной базы Научно-образовательного центра «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии» (рис. 1) [3–5].


Рис. 1. Синергетическое взаимодействие обучающихся в СПбПУ с работодателями и НОЦ «ВИЭ»

Область знаний в системе высшего профессионального образования — возобновляемые источники энергии — представляет собой организацию междисциплинарного инновационного образовательного пространства, опирающегося на оригинальные учебные и научные разработки. Специфика подготовки проявляется в составе знаний, ориентированном на особую область знаний, как по составу, так и по динамике развития. Образование в области ВИЭ является весьма многоплановым и требующим сочетание различных областей знаний, поскольку объект возобновляемой энергетики является уникальным природно-техническим комплексом, и специалист в области ВИЭ должен обладать широким системным политехническим образованием, позволяющим объединить физико-математическую подготовку, технические и технологические дисциплины, знания в областях электроэнергетики и строительства, а также экологии и экономики.

Регламент функционирования образовательного пространства в область ВИЭ, обеспечиваемый учебно-методическим комплексом, базируется на формировании знаний и компетенций об объекте или установке, использующей возобновляемые источники энергии, как о системном объекте, взаимодействующим с природными, техническими, экологическими, социально-экономическими подсистемами, в том числе:

  • взаимодействия с окружающей средой (климатической, геологической, гидрологической);
  • технических решений преобразования ВИЭ (параметры, конструкции, схемы);
  • электроэнергетического окружения (режимы, транспорт, потребление);
  • проектно-строительной (фазы жизненного цикла, технологии строительства, особенности эксплуатации);
  • инвестиционно-экономического обоснования (дисконтирование, кредитование, прогноз тарифов, CAPEX, OPEX, LCOE, показатели эффективности);
  • нормативно-правового регулирования (ГОСТы, СНиПы, ТУ, СО);
  • оценок воздействия на окружающую среду (отчуждение земель, шум, воздействие на флору и фауну, утилизация).

Исходя из данного подхода сформулированы методологические основы формирования единого междисциплинарного инновационного образовательного пространства, состоящего из взаимосвязанных областей-подпространств подготовки специалистов по ВИЭ (рис. 2). Такой подход к междисциплинарному обучению позволяет структурировать и объединять в единую цепочку знания по каждому компоненту, получаемому студентом на всех ступенях обучения по группам дисциплин — гуманитарным и социально экономическим, математическим и естественно-научным, общепрофессиональным и специальным, обеспечивая системные знания при изучении объекта, использующего ВИЭ [6–8].


Рис. 2. Формирование единого междисциплинарного образовательного пространства в СПбПУ

Многолетний опыт образовательного процесса в области подготовки специалистов по гидроэнергетике, а с 1980-х годов по использованию ВИЭ позволил сформировать в СПбПУ учебно-методический комплекс, включающий:

  • лицензированные в полном соответствии с ФГОС учебные планы и учебные программы бакалаврской и магистерской подготовки;
  • совокупность учебников и учебных пособий;
  • оригинальные лекционные курсы;
  • видеоматериалы, презентации, системы дистанционного образования и другие средства технического обучения;
  • деловые игры и ситуации;
  • тестовые материалы для контроля знаний обучающихся;
  • научно-методическое обеспечение и лабораторную базу Научно-образовательного центра «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе» (НОЦ «ВИЭ») СПбПУ [3].

Современные тренды развития экономики РФ связаны с цифровизацией всех этапов жизненного цикла объекта, в том числе создания цифровых моделей и цифровых двойников [4]. Процесс создания таких сложных структур требует разработки и внедрения современных цифровых технологий проектирования и методов управления, обеспечивающих высокую экономическую эффективность, повышение качества проекта, минимизации воздействия на окружающую среду. Разработка и внедрение новых цифровых технологий проектирования, строительства, эксплуатации и управления требуют подготовки кадров нового уровня, способных быстро встраиваться в производственные проблемы, принимать конструктивные решения и предлагать новые инновационные решения, как в области конструктивных решений по созданию технических объектов, так и обоснованию принятия решений по выбору наиболее эффективного варианта реализации проекта с минимальным воздействием на окружающую среду. В процесс обучения вводятся новые дисциплины: 3D-моделирование объекта, BIM-технологии, современные программные комплексы для проектирования [9].

Системная подготовка специалистов в Инженерно-строительном институте (ИСИ) СПбПУ опирается на базовую программу бакалавриата 08.03.01_04 «Гидротехническое, энергетическое и арктическое строительство». Современные задачи развития экономики требуют специалистов, способных осуществлять проектирование, реконструкцию и эксплуатацию объектов энергетического и гидротехнического строительства, в том числе в Арктике, к которым не применимо типовое проектирование и для каждого проекта необходим индивидуальный подход по разработке новых технических решений. Поэтому к компетенциям проектировщиков, разрабатывающим проекты в области энергетического строительства, предъявляются особенно высокие требования с учётом большого разнообразия объектов и их специфики.

Магистерский уровень подготовки в СПбПУ обеспечивается двумя магистерскими программами, одна из которых — 08.04.01_24 «Проектирование объектов возобновляемой энергетики с использованием цифровых технологий» — позволяет получить квалификацию магистра по двум направлениям — «Строительство» и «Энергетика».

Целью этой программы является подготовка магистров, обладающих навыками научно-исследовательской, проектной, производственно-технологической деятельности, знаниями и компетенциями в области ресурсного обоснования, проектирования, электроэнергетического и режимного функционирования, технико-экономического и экологического обоснования объектов энергетики с использованием ВИЭ — гидроэлектростанций, ветроэлектростанций, солнечных электростанций, энергокомплексов на основе ВИЭ, в том числе создаваемых в сложных природно-климатических условиях.

На этапе обучения вводятся новые дисциплины в соответствии с требованиями и запросами отрасли: 3D-моделирование, прототипирование, создание объектов с использованием технологий виртуальной реальности, BIM-технологии, использование современных программных комплексов для проектирования и моделирования объектов солнечной, ветровой и гидроэнергетики (фото 1).


Фото 1. 3D-моделирование — новая дисциплина в отрасли возобновляемой энергетики

Вторая профильная магистерская образовательная программа — 08.04.01_14 «Энергоэффективность и энергосбережение в гражданском строительстве» (Energy Efficient and Sustainable Building) — реализуется на английском языке. Программа ориентирована в том числе на привлечение иностранных студентов. Целью подготовки магистров по данной образовательной программе является формирование у студентов знаний по проектированию и внедрению новых энергоэффективных конструктивных решений зданий и сооружений, энергосберегающих технологий и мероприятий, в том числе с использованием зарубежного опыта (к проведению занятий привлекаются зарубежные преподаватели), направленных на эффективное использование топливно-энергетических ресурсов, внедрение возобновляемых источников энергии, использование принципов солнечной архитектуры и энергосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации промышленных и гражданских сооружений, использование современных расчётных и инструментальных методов проведения энергетических обследований (энергоаудита) и оформления энергетических паспортов с присвоением класса энергоэффективности на объектах капитального строительства.

Принцип многоуровневой подготовки и подготовка кадров высшей квалификации в аспирантуре по направлению ВИЭ ведётся в соответствии с новой номенклатурой специальностей ВАК РФ и реализуется в рамках специальности 2.4.5 «Энергетические системы и комплексы», которая образована объединением старых специальностей 05.14.01 «Энергетические системы и комплексы», 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии» и 05.14.14 «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты». Цель разделов программы по ВИЭ — подготовка квалифицированных кадров к деятельности, требующей углублённой фундаментальной и профессиональной подготовки и знаний в области гидроэнергетики и возобновляемых видов энергии, технологий их преобразования, обоснования параметров и режимов гибридных энергетических комплексов для научно-исследовательской, проектно-конструкторской, технико-экономической, организационно-управленческой деятельности и педагогической работы. Для защиты диссертаций в СПбПУ (приказом от 6 марта 2023 года №450) создан Диссертационный совет У 2.4.5.45 (председатель — д.т.н., профессор В. В. Елистратов).

Распределение учебных дисциплин, педагогической практики, итоговой государственной аттестации по отдельным учебным циклам и периодам обучения отвечает требованиям логики и соотносится с конечными результатами обучения: знаниями, умениями, приобретаемыми компетенциями, как в целом, так и по её отдельным структурным элементам.

Большое внимание уделяется самостоятельной работе аспирантов, что позволяет увязать учебный процесс с матрицами компетенций, представленными в учебных планах и обеспечивающими установленный университетом обязательный объём профессиональных знаний.

Программа предусматривает исследовательскую и педагогическую подготовку обучающихся. Выполняемые научно-исследовательские проекты и активное привлечение к их реализации бакалавров, магистров и аспирантов позволяет формировать у них системное мышление и активную адаптацию к текущим проблемам.

Научно-методическое сопровождение процесса подготовки кадров осуществляется НОЦ «ВИЭ», являющимся структурированной научной платформой подготовки студентов и позволяющим сочетать передовые научные направления, внедрять их в учебный процесс и реальные проекты с учётом цифровых технологий.

НОЦ «ВИЭ» располагает современным экспериментальным и лабораторным оборудованием:

  • автономный энергокомплекс в составе фотоэлектрической установки мощностью 2 кВт и ветроагрегата мощностью 2 кВт с горизонтальной осью вращения с системой мониторинга, аккумулирования и резервного электропитания;
  • учебно-демонстрационная система теплоснабжения с тепловым насосом и аккумулятором мощностью 5 кВт;
  • гелиосистема с вакуумированными тепловыми коллекторами площадью 4 м²;
  • установка дистанционного зондирования ветрового потока до высоты 200 м SODAR Wind Explorer;
  • экспериментальный стенд для исследования режимов работы энергокомплекса на основе традиционных и возобновляемых источников энергии с интеллектуальной системой управления (фото 2);
  • солнечные батареи, в том числе с концентраторами солнечной энергии.


Фото 2. 3кспериментальный стенд для исследования режимов работы энергокомплекса на основе использования ВИЭ с интеллектуальной системой управления

Также имеется библиотека программных продуктов для расчёта ресурсов возобновляемых источников энергии и параметров энергоустановок на основе ВИЭ:

  • ветроэнергетика (Wind Pro, Meteodyn WT, Windographer, Sander + Partner, Blaasoft Weather Observer);
  • солнечная энергетика (PV*SOL Expert 6.0 set, T*SOL Expert 4.5 set);
  • геотермальная энергетика (GeoT*SOL basic);
  • энергокомплексы на базе совместного использования традиционных и возобновляемых источников энергии (Homer Energy 2.81, ЕnergyPro);
  • оценка экономической эффективности проектов ВИЭ («Альт-Инвест 7.0″, Project Expert);
  • гидроэнергетика (FlowVision 2.5.04; «Гидроудар 1.0″, ANSYS по расчёту конструкций и моделирования движения воздушных и водных потоков в элементах установок ВИЭ).

Среди самых известных работодателей в области ВИЭ — ПАО «РусГидро», входящее в перечень стратегических предприятий и стратегических акционерных обществ Российской Федерации. В рамках стратегического договора о сотрудничестве между СПбПУ и ПАО «РусГидро» (заключён в 2012 году) в инженерно-строительном институте СПбПУ создана демонстрационная коворкинг-зона компании (фото 3). Стенды и интерактивные мониторы информируют студентов о новостях компании, направлениях деятельности, географии объектов, перечне требуемых профессий, а также создаёт комфортную среду для досуга и коммуникации студентов. Ежегодно ПАО «РусГидро» проводит конкурсы «Энергия развития», целью которых является выявление перспективной талантливой молодёжи, способной в будущем работать на объектах компании.


Фото 3. Демонстрационная коворкинг-зона ПАО «РусГидро» в СПбПУ

В СПбПУ активно внедряется система oнлайн-курсов, реализуемых на национальной платформе открытого образования «Open Политех», которая имеет конкурентное преимущество на рынке образовательных услуг, особенно в современных условиях, когда для российских вузов закрыли платформу Coursera. В рамках платформы «Open Политех» размещён образовательный курс на английском языке Renewable Energy: Resources and Technologies (фото 4) [10], являющийся структурированным массовым открытым онлайн-курсом, включающим видеолекции, текстовые материалы, презентации, форум и практические задания, что позволяет сделать процесс обучения более результативным и комфортным.

 
Фото 4. Образовательный онлайн-курс Renewable Energy: Resources and Technologies

Данный курс разработан преподавателями Высшей школы гидротехнического и энергетического строительства (ВШГиЭС) СПбПУ совместно с Научно-образовательным центром «Возобновляемые виды энергии и установки на их основе»: д.т.н., профессором В. В. Елистратовым, к.т.н., доцентом И. Г. Кудряшевой, к.т.н., доцентом М. В. Романовым и др.

Курс сфокусирован в первую очередь на первостепенные потребности и приоритеты вузов стран Европы, Азии, Африки, Латинской Америки в области изучения технологий возобновляемой энергетики, а также международную платформу для обучения и обмена знаниями. Курс предназначен для студентов, аспирантов и ориентирован на обновление стратегии, корректировки образовательных проектов и управления схемами мобильности. Приобретённые навыки и знания в области использования ВИЭ распространяются на национальном и межконтинентальном уровнях путём организации семинаров и каскадных тренингов в университетах различных стран с широким привлечением профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов посредством организации мероприятий, способствующих распространению новых технологий возобновляемой энергетики.

Около 2000 студентов из разных стран успешно завершили этот курс. В процессе освоения курса слушатели знакомятся с основными понятиями и определениями в области возобновляемой энергетики, получают представление об основах определения ресурсного потенциала ВИЭ, в том числе об его территориальной, временной и климатической изменчивости. Большое внимание уделяется изучению современных принципов и технологий преобразования солнечной, ветровой и гидроэнергии, режимам работы установок на их основе в системах энергоснабжения автономных и сетевых потребителей. В рамках концепции устойчивого развития проводится анализ и количественное сравнение экологических воздействий на окружающую среду органической и атомной энергетики с возобновляемой энергетикой.

Использование инструментов проектного, финансового и экономического менеджмента, с учётом развития инновационных технологий создания оборудования ВИЭ, позволяет оптимизировать параметры и повысить эффективность проектов. Курс содержит большое количество практических заданий, позволяющих закрепить полученные знания и навыки в области использования возобновляемых источников энергии.

Для методического сопровождения онлайн-курса подготовлено и издано учебное пособие на русском и английском языках «Ресурсы и технологии возобновляемых источников энергии» (Renewable Energy Resources and Application Technologies) [11] (фото 5), в котором в значительной степени отражены принципы системной подготовки студентов СПбПУ по направлению ВИЭ. В пособии рассмотрено современное состояние и перспективы развития возобновляемой энергетики, методические основы определения ресурсного потенциала ВИЭ (солнечной, ветровой, гидроэнергии), с учётом территориальной, временной и климатической изменчивости. Изучаются современные принципы и технологии преобразования ВИЭ, методы обосновании параметров и режимов работы электрических станций, энергокомплексов и систем энергоснабжения на их основе. Использование инструментов проектного, финансового и экономического менеджмента позволяет оптимизировать параметры объектов ВИЭ, используя методы энергоэкономического обоснования. В рамках концепции устойчивого и низкоуглеродного развития [12] проводится анализ и количественное сравнение экологических воздействий на окружающую среду объектов органической, атомной и возобновляемой энергетики с целью минимизации углеродного следа.


Фото 5. Учебное пособие на русском и английском языках «Ресурсы и технологии возобновляемых источников энергии» (Renewable Energy Resources and Application Technologies)

Трансформационные процессы высшего образования, наметившиеся в последнее время, предусматривают постепенное возвращение к традиционной подготовке студентов в формате базового высшего образования и восстановления квалификации инженера. Это будет способствовать как формированию единого междисциплинарного инновационного образовательного пространства, так и повышению качества образования специалистов в области энергетики с использованием возобновляемых источников энергии.

Выводы

1. В СПбПУ на примере подготовки студентов в инженерно-строительном институте реализована методология многоуровневой подготовки специалистов высшего образования в области ВИЭ, соответствующая современному развитию науки, техники, технологий в условиях цифровой трансформации.

2. Разработан системный подход при подготовке студентов в формате единого междисциплинарного образовательного пространства, обеспечивающего координацию и гармонизацию дисциплин естественно-научного, общепрофессионального и специального циклов, позволяющего сформировать системные знания, целостные компетенции при подготовке специалистов в области ВИЭ.

3. Впервые в СПбПУ лицензирована внутривузовская сетевая магистерская программа 08.04.01_24 «Проектирование объектов возобновляемой энергетики с использованием цифровых технологий», позволяющая студентам получить квалификацию магистра по двум направлениям — «Строительство» и «Энергетика».

4. Для получения знаний студентами процессов функционирования подсистем единого образовательного пространства издано учебное пособие на русском и английском языках «Ресурсы и технологии возобновляемых источников энергии» (Renewable Energy Resources and Application Technologies), ориентированное на системную подготовку специалистов в области возобновляемых источников энергии, в том числе на международном уровне.