Блискавка в руках
Вітчизняна інноваційна продукція з успіхом конкурує на світовому ринку, але майже не затребувана в Україні.
Одним із перших реальних застосувань нанотехнологій стали суперконденсатори, здатні запасати небачені за колишніми уявленнями обсяги електроенергії. Як повідомляла «УТГ», краще за всіх у світі такі пристрої вміють робити в Києві, щоправда, поки тільки у вигляді дослідних партій.
Що являє собою суперконденсатор, які його можливості та сфери застосування і які проблеми постають перед виробничниками й ученими під час упровадження нових технологій?
Гонитва за ємністю
— Як відомо, звичайний конденсатор складається із двох металевих пластин, розділених шаром діелектрика, — розповідає Юрій Малетін, доктор хімічних наук, науковий керівник київської компанії «Юнаско». — Його ємність пропорційна площі пластин, діелектричній проникності шару діелектрика й обернено пропорційна товщині цього шару. На практиці зменшувати товщину діелектрика нескінченно не можна — станеться його пробій і конденсатор вийде з ладу. Збільшення площі пластин означає «роздування» габаритів приладу й припустиме тільки до певних меж.
Для підвищення ємності в суперконденсаторах застосовують електроди зі шпаруватих матеріалів, які мають величезну поверхню – до 2000 м2/г. Електроди суперконденсатора являють собою сформовану особливим чином масу, нанесену на металеву фольгу. Шпари в ній мають розміри від 1 до 2 нанометрів, тобто ми маємо справу з наноматеріалом. Різнополярні електроди захищаються від замикання між собою за допомогою так званого сепаратора – шару шпаруватого діелектрика, проникного для електроліту. Електроди й сепаратор просочують електролітом і поміщають у герметичний корпус. Така конструкція дозволяє запасати величезну ємність — до 10 фарад на см3. Це в 3—4 рази більше, ніж у звичайних конденсаторах.
Якщо старі пристрої можуть дати потужний імпульс протягом приблизно однієї мілісекунди, то суперконденсатори видають імпульси з такою ж потужністю тривалістю до 10 секунд. Використовуються як самі по собі, так і в комбінованих схемах, коли підімкнені паралельно зі звичайним акумулятором. При цьому вони беруть на себе всі пікові навантаження, адже за піків літій-іонні акумулятори можуть вийти з ладу й навіть зайнятися. Із суперконденсатором цієї небезпеки нема, отже, він підвищує надійність схеми живлення й термін життя акумуляторів.
Перевага суперконденсатора перед звичайним ще й у набагато вищій енергоємності. Утім, слід відзначити, з цього показника вони поки програють сучасним літій-іонним акумуляторам разів у 30—40. Річ у тім, що в будь-якому хімічному джерелі струму «працює» вся маса електродів. А в конденсаторі — тільки їхня поверхня. А от із питомої потужності суперконденсатори виграють — у них не відбувається ніякої хімічної реакції, що завжди гальмує процес, тут швидкість заряду й розряду визначається тільки процесами дифузії. От чому у світі зростає інтерес до комбінованих пристроїв живлення.
— Юрію Андрійовичу, ви щойно повернулися зі США з конференції із -суперконденсаторів. Які тенденції вона зафіксувала?
— Сьогодні багато фірм світу навипередки конструюють і роблять суперконденсатори. Конференція у Флориді була вже двадцятою. Виступали вчені й виробничники з різних країн — від Китаю до США, від Франції до Австралії. Один із визнаних центрів, Інститут транспортних досліджень США, протягом багатьох років тестує суперконденсатори й літій-іонні акумулятори із усього світу. Його тести підтвердили, що наші прилади мають найвищу питому енергію. Їхня питома потужність становить 3216 Вт/кг, у той час як у кращих зарубіжних аналогів вона не перевищує 2050 Вт/кг (фірма BatScap, Франція) і 1400 (компанія Ls Cable, Південна Корея). Нагадаю, що питома потужність — це величина максимального заряду суперконденсатора на 1 кілограм його маси.
Високих показників продукції ми досягли завдяки застосуванню спеціальних методів обробки наношпаруватих вуглецевих матеріалів, ретельному добору катодних, анодних матеріалів та електроліту, а також за рахунок простоти конструкції.
— Чим ваші конденсатори відрізняються від зарубіжних аналогів?
— Питому потужність ми збільшили за рахунок зниження внутрішнього опору, з яким борються всі розробники. Але ми вирішили цю проблему більш удало, ніж інші: проаналізували всі складові внутрішнього опору й мінімізували все, що піддавалося мінімізації. Однак, вибачте, далі постають питання про виробничу таємницю, про ноу-хау, яких ми не торкатимемось.
Але можу показати вам комірку суперконденсатора, яку випускає наше дослідне виробництво. Вага, як бачите, невелика — 183 грами, максимальна питома потужність — близько 30 кіловатів на кілограм ваги, тобто вона може видати приблизно 6 кіловатів у короткому імпульсі. І якщо в електровозі двигун дає 200 кіловатів, то 20—30 таких комірок достатньо, щоб розігнати його на старті.
— Яку ємність комірок досягнуто?
— Зараз ми випускаємо суперконденсатори ємністю до 1800 фарад. А раніше робили й до 3500 фарад. Утім, більша ємність зараз не проблема. Для нас сьогодні головне — виставити наш виріб на ринок, і насамперед в Україні. У Китаї на розвиток приладів, які зберігають електроенергію, надаються величезні кошти. А ми, на жаль, у цьому напрямку не розвиваємося взагалі.
Кому винахід?
— Будь-якій високотехнологічній компанії в Україні сьогодні нелегко, — констатує Олександр Шнайдрук, директор із розвитку компанії «Юнаско». — Стратегічний фокус держави не спрямований на розвиток нових технологій. Навіть якщо є бажання освоїти нові підходи, винаходи, ноу-хау — уже немає необхідних фахівців, а також відповідних підприємств і зв’язків між ними. Важко бути одним із небагатьох, хто пробиває нові технології. На державному рівні підтримки не відчувається. Тому, з огляду на інтеграційні процеси в усьому світі, ми маємо орієнтуватися на зарубіжні ринки. Сьогодні із цим немає проблем. На нас виходять частіше, ніж ми на кого-небудь. Активно співпрацюємо з різними партнерами, переважно з Європи та азіатських країн, а також з Росії. Працюємо в загальному напрямку наукового й технічного пошуку, яким ідуть усі розвинені країни світу. Це тренд енергетичних інновацій, альтернативних джерел енергії. Розробка суперконденсаторів є важливою ланкою в ланцюжку нових технологій.
— Олександре Євгеновичу, відомо, що компанія «Юнаско» співпрацює з Інститутом електрозварювання ім. Патона. Хто ще в Україні зацікавився вашою продукцією?
— Ми, звичайно, рекламуємо наші розробки і в Україні, сподіваємося, що хто-небудь із великих промисловців зверне на них увагу. Співробітництво з інститутом Патона перебуває в стадії підписання угод про спільну роботу. Готовий перший договір на поставку партії наших суперконденсаторів для розробки зварювального пристрою нового типу. Якийсь час виявляли інтерес всілякі невеликі інженерні фірми в Україні, але він поки не втілився в конкретних розробках. Намагалися співробітничати з великими українськими виробниками акумуляторів, але в них, на жаль, немає часу на інновації.
Ми пропонували наші розробки вітчизняним виробникам автобусів, бо у світі вже є гарні готові рішення використання суперакумуляторів у транспорті. Надіслалали листа керівникам усіх таких підприємств. Поки реакції немає. Один авіазавод зацікавився нашими джерелами струму. Для авіації важливо, що вони працюють за низьких температур, аж до -500С. Але на тому все й закінчилося.
— Чи сприяє чинне законодавство розвитку інноваційних розробок, їхньому впровадженню?
— Можливо, щось і написано, але юристи таких пільг, які якось підтримували б, стимулювали б розвиток нових технологій, не виявили. Більш того, ми одержуємо набагато більше різних грантів від Європейського Союзу, ніж від рідної держави. Але гранти — це разова підтримка. А от на законодавчому, юридично-адміністративному рівні такої допомоги реально немає.
Зварювання без трансформатора
Першими в Україні оцінили величезні можливості суперконденсаторів в Інституті електрозварювання ім. Патона.
— Коли Борис Євгенович Патон довідався про те, що в Україні розроблені кращі у світі суперконденсатори, він поставив перед нами завдання: знайти їм «справу» в електрозварюванні, — говорить Давид Калєко, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник інституту. — Недавно ми продемонстрували дослідний екземпляр апарата, який зварює метал за допомогою електроенергії, одержуваної від конденсаторів Малетіна. З’єднання виходить швидке й надійне.
— Де можна застосовувати цю технологію?
— На нашу думку, наймасовіше застосування таких апаратів — у автомобільній промисловості, у вигляді спеціальних кліщів для точкового зварювання. Стануть вони у пригоді і в суднобудуванні, і в будівництві. Застосування суперконденсаторів дозволить позбутися важких і громіздких трансформаторів, які звичайно супроводжують електрозварювання. Якщо сьогодні необхідно перетворити 220 вольтів у низьку напругу й при цьому одержати струм 5 кілоамперів, то трансформатор для цього важить не менше 16 кілограмів. Для порівняння: аналогічний пристрій на конденсаторах важить близько 6 кілограмів.
Є й ще один нюанс. Під час точкового зварювання трансформатор перебуває безпосередньо у зварювальних лещатах. Його не можна поставити десь поруч, бо різко падає сила струму й робітникові доводиться всю зміну тримати лещата вагою 5—8 кілограмів у висячому положенні. Наша апаратура вирішує цю проблему. Апарат буде маленьким, за бажання — ранцевого типу. Із ним можна вести зварювання на будівництвах, на великій висоті — кабель не потрібен. А блоки заряджених конденсаторів можна доставляти, наприклад, краном або лебідкою.
Можна приварювати деталі, наприклад, у трюмі корабля, при цьому через малу тривалість зварювального імпульсу набагато менше викид шкідливих газів.
Або такий приклад: до всіх трубопроводів, які розташовані в землі, обов’язково на відстані 2 кілометрів одна від одної приварюються так звані шпильки катодного захисту, на які подається напруга, щоб компенсувати різницю потенціалів між трубою й землею. Для їхнього ремонту потрібне зварювання. Колись тягти полями і лісами зварювальний апарат було проблемою: треба приєднуватися до мережі. А з нашою апаратурою все прос-то: узяв у машину бензиновий генератор, зарядив від нього конденсатор, зварив — і поїхав далі. Крім того, сама труба може бути досить далеко від дороги, до неї не під’їдеш. А із зарядженим конденсатором можна і пішки підійти.
— Наскільки економічніше зварювання за допомогою суперконденсаторів, ніж звичайне, від мережі?
— По-перше, набагато менше витрачається електроенергії. Так, наш апарат для приварювання шпильок споживає її в 6 разів менше, ніж традиційний, за того ж обсягу виконуваної роботи. До того ж нова апаратура зручніше й безпечніше, ніж та, що потребує довгих кабелів. Ще один плюс — вона досить надійна й довговічна. Суперконденсатори також добрі тим, що витримують велику кількість перезаряджень.
У нас є кілька перспективних розробок із різних видів зварювання. Уже на виході моделі, які можна демонструвати публіці. Тож упровадження нової зварювальної апаратури — річ цілком реальна.
— Ви створюватимете своє виробництво при інституті Патона?
— Це питання обговорювалося, але рішення ще не ухвалено. Поки немає готового виробу, не зрозуміло, які потрібні комплектувальні, який штат співробітників і багато чого іншого. Але різні варіанти вже проробляються.
— Вартість такого апарата буде набагато вище за ціну старої моделі?
— Дослідні партії, звичайно, коштуватимуть дорожче. Потім подешевшають. Наскільки — залежить від масовості випуску. Але в будь-якому разі зручність та економічність їхнього застосування важливіші за ціну.
Китай переходить на електрику
Китайці вже виробляють суперконденсатори на 100000 фарад. Правда, вони мають солідні розміри, набагато більші, ніж у киян. У Шанхаї на них працюють міські півтролейбуси-півавтобуси. У цьому місті відстань від зупинки до зупинки не перевищує кілометра. Машина на станції піднімає штанги, торкається зарядного пристрою, за 30 секунд суперконденсатори заряджаються. Цього вистачає, щоб доїхати до наступної зупинки. Вийшов дешевий та екологічний вид транспорту. Такі машини планують використовувати в 8—10 містах Китаю.
