Новый накопитель против аккумулятора

15.03.2021

Энергетический импульс для промышленности: какие возможности открывают суперконденсаторы

Об авторе: Сергей Александрович Агеев - генеральный директор компании ТЭЭМП

В некоторых сферах суперконденсаторы становятся все более незаменимыми источниками тока, позволяя решать специфические задачи, связанные с отдачей большого объема энергии. В чем заключается их преимущество и основные эффекты для разных индустрий?

3-14-11480.jpg
Перспективы рынка суперконденсаторов (в млрд долл. США). Источник: Morder Intelligence

В последнее время целый ряд отраслей проявляет интерес к суперконденсаторам, которые можно назвать гибким, экологичным и производительным решением по хранению и отдаче энергии. Это способствует развитию рынка, который, по оценкам Research and Markets, вырастет с 498 млн долл. в 2018 году практически до 1,3 млрд долл. к 2024-му. Наиболее активны в этом отношении страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Следом идут США и Европа, где также работают заводы по производству суперконденсаторов. Российский рынок только начинает развиваться: по нашим оценкам, сегодня он достигает порядка 1 млрд руб.

Импульсный источник

Суперконденсатор – это импульсный источник тока, представляющий собой многослойное электрохимическое устройство в виде цилиндрической или призматической конструкции. В нем есть катод и анод, которые формируют электродный слой, нанесенный на фольгу или алюминий. Суперконденсаторы предназначены не для продолжительной выдачи тока, а для его быстрой отдачи. В отличие от аккумуляторной батареи суперконденсатор не может похвастаться удельной энергией – она в 20 раз ниже и в то же время обладает высоким показателем удельной мощности – до 10 кВт/кг. Иными словами, суперконденсатор может разом отдать или забрать в себя большой объем энергии. Отличается и количество циклов заряд-разряд: у суперконденсатора оно достигает миллиона и выше, тогда как у электрохимической аккумуляторной системы – только 20–25 тыс. (в зависимости от электрохимической системы и условий эксплуатации).

С 1957 года, именно тогда бы запатентован первый конденсатор с двойным слоем на пористых углеродах, постоянно ведутся работы по улучшению – не внешнего вида, он практически неизменен, а его технических характеристик. Как пример, применение органического электролита вместо водных и щелочных позволило получать высокое номинальное напряжение на ячейке. Сейчас оно обычно составляет 2,8–3 В, но в перспективе может достичь и 4,0 В. С увеличением напряжения кратно растет и возможность хранения энергии в ячейке, что позволяет накапливать ее (а значит, и отдавать) в большем объеме.

Во-вторых, у органического электролита шире диапазон рабочих температур, при которых может работать суперконденсатор. Стандартно устройство оперирует в условиях примерно от –45 до +60 градусов по Цельсию. Некоторые модели могут работать и в более экстремальной среде. Так, мы производим суперконденсаторы с различными температурными диапазонами: –45… +60, –60…+65 , –20…+80 градусов по Цельсию. И это заслуга именно электролита.

Аккумуляторные батареи здесь, опять же, отстают. Несмотря на то что лидер на рынке литиевых батарей – Китай – заявлял о выпуске литиевого аккумулятора с рабочей температурой –40 градусов по Цельсию, реального подтверждения рынок пока не увидел. Американская компания Relion, однако, выпустила низкотемпературные аккумуляторы, которые безопасны в использовании даже при –20 градусов по Цельсию.

Традиционная сфера применения

Суперконденсаторы активно применяются в сферах, где требуется оперировать большой мощностью в короткий период времени, при этом в широком диапазоне температур. В основном устройство решает ряд проблем в двух индустриях: энергетика и транспорт.

Сбой или остановка в работе критически важного оборудования.

Предприятия часто несут убытки от сбоев в работе оборудования. Его причиной может быть как запуск энергоемких агрегатов, так и нестабильное питание от внешней сети. Сбои ведут к полной или частичной остановке производства: 80% пропадания напряжения находится в интервале до 5 секунд. Системы поддержания тока на базе суперконденсаторов могут поддерживать стабильное напряжение примерно в течение 40–60 секунд, что позволяет обеспечить бесперебойную работу оборудования.

Как ни удивительно, но суперконденсаторные системы позволяют минимизировать даже финансовые риски. Так, например, заводы с непрерывным технологическим циклом могут снизить процент брака, связанного с перебоями в технологическом цикле. Не секрет, что современное оборудование крайне чувствительно к напряжению. Хотя по ГОСТу его отклонение может достигать +/–10%, современное оборудование «уходит в ошибку» при разнице в 5%. Из-за скачка в подаче электроэнергии производство по выпуску микросхем, например, может попросту остановиться. А изделия пойдут в брак и пополнят графу расходов: сбои на любом производстве, как правило, влекут за собой серьезные затраты. Так, российская алюминиевая компания UC Rusal оценила ущерб от проблем с электричеством на трех заводах в течение часа в 39 млн руб.

Иногда оборудование останавливается при срабатывании релейной защиты по причине возмущений в сети, как пример, попадания молнии. В этом случае срабатывают системы автоматического ввода резерва, при этом образуется бестоковая пауза, как правило, 1–2 секунды, а оборудование отключается за одну. После его нужно заново включить, а зачастую – и перезапустить производственную линию.

Избыточное потребление дорогих ресурсов с высокой степенью эмиссии парниковых газов.

Несмотря на сокращение выбросов CO2 в прошлом году, по данным отчета «Глобальные энергетические тенденции 2020», проблема все еще остро стоит на повестке дня. Агентство по охране окружающей среды США отмечает, что типичный легковой автомобиль ежегодно производит около 4,6 т углекислого газа. Выброс можно снизить за счет экономии топлива с помощью рекуперации, которая позволяет правильно утилизировать реактивную мощность.

Яркий пример – рекуперация энергии торможения, которая становится самым актуальным видом применения суперконденсаторов в мире. Принцип простой: суперконденсатор накапливает энергию, а потом отдает ее во время разгона.

Сейчас это активно практикуется для общественного транспорта: такие системы устанавливаются на городском общественном транспорте. Так, Белкоммунмаш выпустил на улицы Минска гибридный автобус с дизель-генераторной установкой и буферным суперконденсаторным накопителем. Суперконденсатор аккумулировал рекуперированную энергию торможения и возвращал ее во время разгона, тем самым снижая количество потребляемого топлива и эмиссию парниковых газов. В итоге автобус сэкономил 9,8 л топлива на 100 км пути, а его эффективность на 27% выше, чем у транспорта, оснащенного только двигателем внутреннего сгорания.

Аналогичное решение было разработано Mazda для легковых автомобилей еще в 2011 году.

Провалы в работе систем запуска автомобиля

Традиционные аккумуляторы часто подводят автовладельцев в зимний период. При низкой температуре электролиты могут замерзнуть, что предотвращает химические реакции, производящие электрический ток. Суперконденсаторы оптимизируют работу любого транспорта с двигателем внутреннего сгорания: тепловой режим суперконденсаторного модуля стандартно начинается от –40 градусов, а значит, автомобиль можно завести даже при критических температурах, тогда как аккумулятор может не справиться и в –30. При этом суперконденсаторам не страшна и жара: американский производитель Eaton предлагает модели, которые заводят двигатель при температурах от –40 до +85 градусов по Цельсию.

Иногда запуску двигателя препятствуют энергоемкие бортовые потребители, которые разряжают аккумуляторную батарею. Поэтому суперконденсаторы используются, например, на патрульных полицейских внедорожниках «Патриот», оснащенных множеством дополнительной аппаратуры: ГЛОНАСС, радио, рация, камеры, приборы слежения. Все это обременяет аккумулятор, у которого может просто не хватить заряда на запуск автомобиля, особенно в холодный период.

В целом тренд на установку суперконденсаторов развивается на Западе уже давно. Американский производитель Velozzi установил импульсный источник тока в своих моделях еще в 2010-е. Тенденцию перенимает и люксовый автопром. В частности, Lamborghini использует суперконденсатор как резервуар энергии.

В каких сферах суперконденсаторы могут быть наиболее полезны?

Суперконденсаторы могут приносить пользу в различных индустриях. Некоторые прогнозы говорят о том, что лидирующей сферой станет автопром. По оценкам Research and Markets, в период 2020–2025 годов автомобильный сегмент займет самую большую долю рынка суперконденсаторов. Но наряду с этим устройства импульсного источника тока могут применяться в химической, фармацевтической, пищевой и нефтегазовой промышленности.

В частности, суперконденсаторы способны обеспечивать стабильную работу буровых установок. Дело в том, что для предприятий нефтегазового сектора характерна низкая маневренность энергохозяйства, основанного на газопоршневых установках. Например, при сбое в работе погружного насоса такая операция, как извлечение его из скважины для ремонта, принесет, по некоторым оценкам, около 2 млн руб. убытков. Производственный процесс может застопориться и в котельной, где на перезапуск оборудования может уйти минимум полтора часа.

Суперконденсаторы нашли применение и в транспортно-энергетическом направлении, где система рекуперации устанавливается на тяговой подстанции. Например, это практикуется в метрополитенах с характерной цикличностью: поезд постоянно то разгоняется, то останавливается.

Подобное решение установлено в Варшавском метрополитене: суперконденсатор рекуперирует энергию торможения. Это позволяет снизить объем потребления энергии, капитальные затраты для поддержания достаточного уровня напряжения и пиковую нагрузку на сеть.

Что тормозит внедрение

Можно выделить три стоп-фактора для развития суперконденсаторов.

Сопротивление со стороны персонала. Согласно исследованию Signavio, более 80% сотрудников не готовы к изменению рабочих обязанностей. Безусловно, внедрение суперконденсаторов может оказать влияние на их содержание. Помимо этого, не стоит исключать фактор скептицизма по отношению к современным разработкам.

Игнорирование стоимости жизненного цикла. Эта проблема характерна для российского рынка, так как отечественный бизнес редко оценивает стоимость жизненного цикла. Из-за этого компании упускают возможность увидеть выгоду от импульсного источника тока.

Высокая цена. Суперконденсаторы дороже примитивных, но проверенных устройств. Несмотря на более долгий срок службы и повышенную эффективность, предприятия выбирают быструю окупаемость в ущерб стратегическому решению.

Несмотря на существующие стоп-факторы развития рынка суперконденсаторов, он продолжает расти. Вероятно, наибольшую активность мы увидим в транспортной сфере, но и промышленные предприятия со стратегическим видением все чаще будут обращать внимание на перспективность технологии.

Источник: Независимая газета