Как конденсатор стал супераккумулятором
Компактные устройства фирмы «Эсма» способны оживить застывшие на 40-градусном морозе многотонные самосвалы, магистральные тягачи, а также крупную строительную и дорожную технику. Приоритетным направлением разработок «Эсмы» является создание электрохимических суперконденсаторов сверхвысокой емкости для различных областей применения, включая системы стартерного пуска двигателей внутреннего сгорания и быстрозарядные тяговые батареи для электротранспорта. На «Эсме» побывал корреспондент журнала «АВТОтрио» Александр Блохнин.
Свой разговор с главным инженером компании Андреем Геннадиевичем ШЕВЧЕНКО мы начали как бы с конца.
– Вы уверены, что ваши разработки смогут и теперь и впредь успешно соперничать с аккумуляторами, учитывая, что аккумуляторные батареи совершенствуются, дешевеют, их производство автоматизируется, становится более экологичным, наконец, растет удельная емкость батарей?
– Само существование «Эсмы», живущей исключительно на свои, заработанные деньги, дает положительный ответ на этот вопрос. Перед суперконденсаторами, как новым видом источников тока, – широчайшие перспективы. Перспективность эта определяется их основным свойством: быстро заряжаться и, при необходимости, отдавать энергию сразу и ограниченной мощностью.
Зарядка любого полностью разряженного аккумулятора требует как минимум 7 часов. А мы заряжаем свою сравнительно большую тяговую транспортную систему за 15 минут. Особенно выгодны такие устройства для заводского электротранспорта – всевозможных тележек, погрузчиков. Обычно на предприятиях для них имеют по два, а то и по три комплекта аккумуляторных батарей. Пока один комплект работает, другой заряжается. Тяжело, грязно, неэкономично. А тут – одна короткая зарядка во время разгрузки или погрузки на час работы…
– Это очень интересно. Но хотелось бы, Андрей Геннадиевич, получить пусть самое общее, популярное объяснение технической сути суперконденсатора.
– Основное отличие суперконденсатора от аккумулятора в том, что у него запасание и отдача электрической энергии происходит не за счет электрохимических реакций, как в аккумуляторе. Накопление энергии идет в так называемом двойном электрическом слое, на отрицательном электроде конденсатора.Конструктивное ноу-хау троицких суперконденсаторов состоит в создании некоего инженерного гибрида аккумулятора и конденсатора. Один электрод суперконденсатора – положительный (но не свинцовый, а металлокерамический), который позволяет производить заряд-разряд с очень высокой скоростью. Второй электрод, отрицательный, выполнен из углеродного материала с очень большой удельной поверхностью. Здесь «кладовая» электроэнергии.
Оба электрода находятся в водном растворе электролита. Энергии суперконденсатор запасает многократно больше, чем конденсатор обычного типа.Итак, несмотря на то, что аккумулятор и суперконденсатор в известной мере родственники, между ними есть принципиальная разница. По скорозарядности и гигантским токам отдачи никакой аккумулятор не сможет достичь показателей суперконденсатора.По весу наши источники легче в сравнении со свинцовыми аккумуляторами. Удельный вес свинца, как известно, 11, а удельный вес нашего основного материала – угольных волокон – 0,7.
Но по одному важному параметру – цене – суперконденсаторы пока пасуют перед аккумуляторами. Но я не случайно сказал «пока». Освоение их производства в массовом масштабе может снизить стоимость изделий в несколько раз.
– Каким образом зародилась и развивалась идея создания суперконденсаторов?
– «Эсма» существует 10 лет, а образовалась она на базе Физического института Академии наук (ФИАН) в городе Троицке, в 20 километрах от Москвы. Костяк исследовательского коллектива сложился из бывших сотрудников ФИАНа и специалистов Института химических источников тока, которые приехали в Троицк из Саратова. Вначале «Эсма» занималась разными проблемами в области высоких технологий, в том числе источниками бесперебойного питания для компьютеров. Однако очень скоро в этой рыночной нише стало тесно. Особенно, когда там появились турецкие и тайваньские изделия.
В источниках бесперебойного питания первоначально использовались компактные, полностью герметизированные свинцовые аккумуляторы. Но, несмотря на их высокое качество, срок службы таких аккумуляторов был небеспределен. И дело не только в сроке службы. Надо было обеспечить быструю зарядку устройств, потому что «пропадание» сети на практике бывает нередко по нескольку раз подряд, и обычный аккумулятор, не успев зарядиться, не обеспечивал компьютеру необходимое время поддержки для того, чтобы успеть нормально выключить аппаратуру, не потеряв ценную информацию.
Появилась идея найти альтернативный источник энергии, который бы быстро заряжался. Тут-то и оказались весьма кстати некоторые наработки саратовцев. Были поставлены две стратегические задачи. Одна из них – создать сверхвысокоемкие суперконденсаторы, приближающиеся по емкости к традиционным аккумуляторам. Их назначение – быть источниками энергии для разных типов источников бесперебойного питания и транспортных средств. Другой тип устройств – импульсные суперконденсаторы. Они имеют несколько меньшую емкость, но способны быстро отдавать заряд огромными токами без ущерба для себя. Такие токи для аккумуляторов недостижимы. Эти свойства определили направление детальных разработок. С одной стороны – электротранспорт, с другой – стартерные, пусковые устройства.
– Понятно, что, имея такие источники энергии, вы просто-напросто не могли не участвовать в постройке электромобилей…
– Мы участвовали в экологической программе «Мосэкотранса». Были переоборудованы на электротягу грузовые «Газели», разработаны и построены несколько электробусов оригинального дизайна для парковых и выставочных зон. Причем единственным источником энергии в них были суперконденсаторы «Эсма». Электробусы вмещают 50 пассажиров и развивают скорость до 25 км/час. А «Газель» с тонной груза способна на одной зарядке преодолеть путь в 30 километров со скоростью 70 км/час. Пробег автобуса после 15-минутной зарядки батареи тяговых конденсаторов – около 10 километров. Опытная эксплуатация этих транспортных средств успешно прошла на территории ВВЦ. И «Газели» и электробусы заряжались от стационарной зарядной станции. Батареи тяговых конденсаторов состояли из 300 элементов. Для заводских же транспортных тележек и погрузчиков зарядных станций не требуется: элементы получают энергию от бортового зарядного устройства.
– Слушая Вас, невольно думаешь, что недалек день, когда все мы сядем в электромобили…
– Нет, до этого еще далеко. Главная причина – в высокой стоимости источников питания и малом пробеге. Цена тяговой батареи равна или даже превышает стоимость самого транспортного средства. Но шаги к реальному электромобилю все же сделаны – это быстрый заряд и исключительная живучесть суперконденсаторов, достигающая десятков тысяч циклов заряда-разряда. В то время как самые «продвинутые» традиционные тяговые аккумуляторы не выходят даже на уровень одной тысячи циклов.
– Есть ли способы удешевления ваших замечательных устройств?
– Есть, и мы сейчас как раз этим занимаемся. Ищем новые, более дешевые материалы. Но главный резерв кроется в создании комплекта агрегатов, которые бы позволили автоматизировать сборку суперконденсаторов. К нынешней осени мы надеемся поставить у себя такое оборудование, которое позволит выпускать 100 тысяч суперконденсаторов в год.
– А как обстоит дело со спросом? – Этот вопрос адресован заместителю генерального директора ЗАО «Эсма» по маркетингу и сбыту Вячеславу Ивановичу ШУМОВСКОМУ, присоединившемуся к беседе.
– Определенные надежды в этом плане, – говорит он, – связаны с нашей совместной работой с НИИавтоэлектроники (Москва) по автомобилям с повышенным напряжением бортовой сети. Имеем мы контакты и с ВАЗом. Конструкция транспортного средства, которая разрабатывается инженерами НИИавтоэлектроники, рассчитана на двухуровневую схему электроснабжения автомобиля: 12 и 42 вольта. Это связано с непрерывно растущим потреблением энергии различными бортовыми сервисными устройствами: кондиционером, электрическими сервоприводами от стеклоподъемников, регуляторами высоты сидений и т.д.
Энергетической основой двухуровневой системы электроснабжения является стартер-генератор – устройство, совмещающее в одном агрегате функции стартера и генератора. Эта электрическая машина в режиме трогания с места и быстрого разгона может давать мощный дополнительный крутящий момент. Для таких режимов нужны токи от 600 до 1000 ампер. Даже самые мощные стартерные аккумуляторы долго в таком режиме не проживут. В то же время это совершенно безболезненно для суперконденсаторов. В подобных разработках как вазовские, так и зарубежные конструкторы предусматривают использование именно суперконденсаторов.
В НИИавтоэлектроники успешно проведены стендовые испытания с троицкими изделиями. Сейчас «Эсма» получила заказ на изготовление батареи суперконденсаторов, которая будет установлена в натурном образце опытного вазовского автомобиля.
На первом этапе в вазовской «десятке» будет опробована система «стоп-старт». Суть ее в том, что у автомобиля, остановившегося перед светофором, сразу же выключается двигатель. Чтобы вновь двинуться при включении зеленого сигнала, водителю достаточно лишь нажать на педаль акселератора. В первые мгновения разгон будет происходить за счет стартер-генератора. Такая система значительно улучшит экологический «паспорт» «десятки». Представляется, что эта идея наиболее близка к реализации не только в одном опытном образце, но и в серийном производстве вазовских машин. Очень важным направлением использования суперконденсаторов на автотранспорте являются различные пусковые устройства. Они основаны на импульсных суперконденсаторах и способны запускать двигатели практически любой мощности, крутить любые стартеры. Преимущества суперконденсаторов тут проявляются наиболее рельефно.
Во-первых, огромный ресурс. В режиме стартерного пуска подтвержденный на настоящий момент ресурс – более 500 тысяч циклов. Этого хватит на запуск машин крупной автобазы на весь период ее существования.
Второе преимущество, которое очень важно для всевозможной спецтехники, эксплуатирующейся в экстремальных режимах, особенно зимой. Поскольку в суперконденсаторах нет электрохимической реакции, которая в аккумуляторах замирает при низких и экстремально низких температурах, то нет зависимости от этого фактора.
Когда в зимний морозный день работники «Эсмы» без проблем заводят накрепко замерзшие МАЗы, КамАЗы и даже зарубежные многотонные грузовики, у водителей этих, приговоренных морозом к неподвижности машин широко раскрываются глаза.
Представьте такую картинку. К заиндевевшему самосвалу подносят сравнительно небольшой черный «ящик». Набрасывают провода на клеммы почти замерзшего аккумулятора. За минуту-полторы «сцеживают» из него необходимый заряд (в холодном аккумуляторе электрохимическая реакция медленно, но все же идет). После чего – ключ на старт – и двигатель гиганта оживает.
В какой-то мере досадно, что примерно 90% нашей продукции идет на экспорт. Покупают, в основном, американцы. И, главным образом, пусковые устройства для больших дизельных грузовиков. Потому что вызов техники на трассу или на площадку отдыха для пуска дизеля при севших по тем или иным причинам аккумуляторах обходится в 300 долларов. Так что три-четыре запуска полностью окупают пусковое устройство на суперконденсаторах. Китайцы тоже приобретали компактные суперконденсаторы…
– Самый последний вопрос: сколь долго может храниться заряд в суперконденсаторе?
– До года и более…
- slilienly, 09.04 в 17:53
- Всем привет. Наткнулся недавно на статью, в которой говорится что ученые американской Академии наук (NAS) утверждают, что конец света наступит 22 сентября 2012 года. Причем это будет "конец света" в прямом смысле.
Что вы думаете по этому поводу.
Пардоньте если не в тот раздел )