Суперконденсаторы: будущее многих отраслей

17.12.2021

el3.jpg

В последние годы все больше возрастает спрос на эффективные накопители энергии. Отраслевые эксперты считают, что одним из перспективных направлений в этой сфере являются суперконденсаторы. Как импульсный источник, они способны выдерживать разрядные токи до десятков тысяч ампер и более миллиона циклов заряд-разряд. Это делает их оптимальным решением в применениях, где важно обеспечить высокую мощность на короткий промежуток времени.

По оценкам специалистов, на мировом рынке суперконденсаторы уже заменили до 10% дорогостоящих литий-ионных батарей и быстро вытесняют свинцово-кислотные, используемые в различных накопителях энергии транспортной, энергетической и промышленной отраслей. Более того, специалисты высоко оценивают потенциал этих устройств и ожидают их внедрения в такие сферы, как электромобили, коммунальные услуги, спутниковые системы связи, дата-центры и т. д. Оптимистичный прогноз подтверждают исследования аналитической компании Mordor Intelligence: каждый год спрос на суперконденсаторы увеличивается более чем на 20%.

На российском рынке также есть отечественные решения в области накопителей энергии на базе этих источников тока. В частности, компания ТЭЭМП, дочернее предприятие холдинга «РОТЕК», еще в 2013 году создала первые прототипы суперконденсаторных ячеек совместно с Московским институтом стали и сплавов, в 2014-м запустила их лабораторное производство на базе НИТУ «МИСиС», а уже в 2017-м открыла в городе Химки Московской области завод по выпуску накопителей электроэнергии на основе суперконденсаторов. Сегодня разработчик активно внедряет свои продукты в различные отрасли и сферы, развивая отечественный рынок источников энергии.

Решения для транспортной отрасли

Яркий пример — система автоматической остановки и запуска дизеля маневровых и магистральных тепловозов, используемая с 2016 года «РЖД». Она позволяет снизить расход топлива в режиме прогрева тепловоза на 20%, а на холостом ходу — на 60–80% за счет отключения/включения двигателя в зависимости от изменения ряда показателей: температуры контуров охлаждения, давления в тормозной системе и т. д. В качестве накопителя энергии здесь установлены суперконденсаторы ТЭЭМП. Благодаря им старт-стоп система позволяет легко запускать даже мощные дизели от 1200 кВт и более.

На данный момент свыше 1,5 тысячи тепловозов для «РЖД» уже оснащены системой автоматического запуска и остановки дизельных двигателей с суперконденсаторами. Российский продукт был выбран не только за мощность, но и другие параметры. Так, стандартные суперконденсаторы нормально работают в диапазоне температур от -40°С до +65°С. Суперконденсаторные модули ТЭЭМП сохраняют свои характеристики и при -60°С, что делает возможным их применение даже в самых северных регионах. Цикличность устройств — минимум 1 млн циклов заряда-разряда. Это соответствует сроку службы не менее 10 лет без замены и обслуживания.

Суперконденсаторные модули подходят и для систем гарантированного запуска двигателей тяжелых и спецмашин, а также дизельгенераторных установок. Штатные аккумуляторные батареи этой техники имеют немало ограничений: они плохо выдерживают высокие пусковые токи, которые снижают их ресурс, и быстро разряжаются во время пуска двигателя при низких температурах. Использование систем запуска на основе суперконденсаторов ТЭЭМП позволило решить эти проблемы, в том числе в 1,5–2 раза продлить срок службы АКБ. Возможности установок оценило сразу несколько предприятий. В 2018 году система запуска на основе суперконденсаторов ТЭЭМП была поставлена разработчику и производителю газотурбинных двигателей и энергоагрегатов СКБ «Турбина», а также Свердловскому экспериментальному механическому заводу. В 2019 году заказчиками компании стали Ульяновский автомобильный завод и «Мосгаз».

Источники резервного питания

Суперконденсаторы также могут стать альтернативой батареям в широком спектре приложений резервного питания за счет большего срока службы, а также отсутствия необходимости беспокоиться об их обслуживании, подзарядке или замене. В свое время эти преимущества оценила итальянская компания Ducatti energia S.r.l. В 2018 году она использовала суперконденсаторы российского производителя ТЭЭМП в качестве накопителя энергии для ИБП железнодорожной автоматики, который обеспечивает энергией стрелочный перевод и семафор на пересечениях при отключении напряжения на контактной сети.

Первоначально Ducatti использовала суперконденсаторы, которые собирались в шкафы с помощью небольших серийных модулей. Их набиралось порядка 100, что в итоге приводило к усложнению схемы коммутаций и межмодульной балансировкой. ТЭЭМП предложил модули из ячеек собственной запатентованной конструкции — плоских призматических элементов с токосъемом по всей поверхности. Чтобы обеспечить необходимые заказчику 20 кВт мощности на 10 минут, потребовалось всего восемь модулей, установленных на выкатных тележках в двух шкафах. Благодаря собственной конструкции ячеек и модулей масса и размер суперконденсаторной сборки снизилась на 30% в сравнении с аналогичными устройствами.

el4.jpg

Форма ячеек обусловила еще одно преимущество продукта: распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, что замедляет процесс деградации и продлевает срок службы накопителя.

Также в проекте были особые условия эксплуатации источника питания, связанные с пониженными температурами, необслуживаемостью, удаленностью самой системы от любого населенного пункта и обеспечением сейсмостойкости. Реализованное решение удовлетворило требованиям заказчика. В готовом состоянии конденсаторные модули представляют собой монолит, сейсмостойкий и устойчивый к любым погодным условиям. На сегодняшний день установленные ИБП работают в штатном режиме, без дополнительного обслуживания, а за 3 года от заказчика не было получено ни одной рекламации.

Производства непрерывного технологического цикла

По оценкам экспертов, прямой и косвенный ущерб от внеплановых перерывов в поставках электроэнергии превосходит даже потери от стихийных бедствий. Сбой в работе или остановка производственного оборудования, вызванные проблемами с подачей питания, могут привести как к снижению количества объема выпуска продукции, так и к увеличению процента брака. Из-за провалов напряжения выходят из строя дорогостоящие высокотехнологичные установки, частотно-регулируемые приводы и т.д. Если это производство непрерывного технологического цикла, такое, как металлургический комбинат или нефтеперерабатывающий завод, ущерб может исчисляться миллионами долларов.

Главным методом борьбы предприятий с некачественным энергоснабжением являются бесперебойные источники питания. При условии, что наиболее частые проблемы сети — просадки и кратковременные, до 10 секунд, пропадания напряжения, оптимальным решением в этом случае становятся системы с накопителем энергии на суперконденсаторах. Они практически мгновенно, в пределах 10–20 миллисекунд, выдают заданную мощность, необходимую для поддержания работы оборудования. Подобные решения ТЭЭМП, разработанные в сотрудничестве с компаниями Danfoss, НПК «Морсвязьавтоматика» и «Норд Индстриз», сегодня используются для защиты оборудования на предприятиях разных отраслей.

Безопасное решение для энергетики

В последнее время системы бесперебойного питания на основе суперконденсаторов активно внедряются в энергетической отрасли как более безопасное решение в сравнении со свинцово-кислотными и литий-ионными батареями. В отличие от АКБ, они не используют химическую реакцию для накопления и высвобождения энергии, а значит, не выделяют вредных веществ при работе, не склонны к саморазрушению и взрывобезопасны.

Однако до недавнего времени актуальной оставалась проблема безопасности суперконденсаторов при повреждении. В большинстве случаев в них используется электролит на основе ацетонитрила, имеющий третий класс химической опасности. При возгорании и кипении он выделяет пары синильной кислоты, которые в случае высокой концентрации могут привести к летальному исходу. Специалисты ТЭЭМП смогли найти решение этой проблемы в 2018 году, разрабатывая буферный накопитель энергии для системы управления защитой атомной электростанции на предприятии топливной компании «Росатома» «ТВЭЛ». Заказчику был необходим источник тока, который не только обеспечит необходимый режим работы, но и не нанесет ущерба даже в случае, если что-то произойдет с самим устройством. В помещении, где установлена система, постоянно находятся люди, что делает недопустимым здесь использование потенциально опасных установок. Специально под эту задачу были разработаны суперконденсаторы на карбонатном электролите — безвредном веществе, основа которого используется в том числе в некоторой косметике. Эти устройства даже при случайном повреждении или внешнем тепловом воздействии не будут выделять ядовитых веществ. Безопасен продукт и по допустимой нагрузке: у него нет каких-либо ограничений по току. Даже если закоротить суперконденсатор, он останется работоспособным, что подтверждено лабораторными испытаниями.

Разработка современных систем накопления энергии

Перспективными видами накопителей интересуются и крупнейшие научно-исследовательские центры, и энергетические компании. Так, в 2019 году для ПАО «Мосэнерго» специалисты ТЭЭМП разработали технические требования к устройству компенсации провалов напряжения мощностью 1200 кВА. Для Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина компанией на основе суперконденсаторов была создана пусковая система для перспективных моделей самолетов гражданской авиации, а для «ЦАГИ» — автономный источник питания.

Запатентованная конструкция ячейки, серийно производимой компанией для суперконденсаторных модулей, позволяет добиться ТЭЭМП удельной мощности более 100 кВт/кг при удельной энергии до 10 Вт•ч/кг.

Оригинальная компоновка также используется инженерами компании для создания перспективных литий-ионных аккумуляторов собственной разработки, благодаря чему они показывают рост удельных объемных характеристик на 30% выше, чем у аналогов, представленных на российском рынке. Унифицированная форма элементов позволит использовать и батарею, и суперконденсатор в одном корпусе, что открывает новые перспективы для создания решений для электротранспорта и активно-адаптивных сетей электроснабжения.

Источник: Энергетика и промышленность России