2035: in progress > Ликбез-блокнот

01.02.2019

ТОПАЗ — вечная батарейка. Как это работает?

Многие десятилетия компактными источниками электроэнергии по умолчанию считались батарейки и аккумуляторы. Эдакий своеобразный символ, который мы видим даже в фильме «Матрица». Однако эти технологии дошли до своего предела и уже давно не соответствуют современным требованиям.

Серьезной заявкой на прорыв в этой области стали изобретенные российскими учеными новые топливные элементы, которые превысили показатели энергоемкости привычных нам литиевых аккумуляторов в 10 раз! Недавно проект «ТОПАЗ» был представлен Владимиру Путину. Ntinews.ru расспросил руководителя проекта Алексея Кашина, в чем уникальность технологии и какое место мирового рынка носителей энергии она способна занять.

Кашин А.М._горизонтальн.jpg

•         В чем принцип работы «Топаза» и уникальность технологии?

•         Отличие от двигателя внутреннего сгорания

•         Почему за рубежом не смогли?

•         Где будет применяться?

•         Сможет ли "накормить" квантовые компьютеры?

•         Сможет ли технология занять долю на мировом рынке?

•         Кто участвовал в разработке? 

•         История вопроса

 

—  Алексей, в чем принцип работы ТОПАЗа и в чем уникальность технологии? 

—  Это устройство позволяет преобразовывать углеводородное топливо, например, пропан, в электроэнергию с высоким КПД и – что важно – технология позволяет делать это в компактных размерах устройства. Это так называемый микротрубчатый топливный элемент, который позволяет из пропана или бутана извлечь максимальное количество энергии. Удельная энергоемкость пропана 12,7 кВт*ч на килограмм. Мы стремимся к показателю в 3000 Вт*ч на килограмм на изделие уже с учетом КПД топливного элемента. Что более, чем в 10 раз превышает удельную энергоемкость литиевых аккумуляторных батарей. Литий на сегодня – это 200-250 Вт*ч на килограмм, с перспективой до 300-400. У нас нет сомнений в достижимости показателя энерговооруженности в 2000 Вт*ч/кг, так что ТОПАЗ - это источник энергии, который будет более чем на порядок лучше литиевых батарей. 

ТОТЭ микротрубки_метал стол_05.JPG


 —  А если сравнить с двигателями внутреннего сгорания? 

 —  По сравнению с ДВС у нас нет движущихся и трущихся деталей, нет системы смазки, нет громкого звука и нет выхлопа. То есть наше изделие компактнее, эффективнее, экологичнее, малозаметнее (если мы говорим про военное применение). Компактных ДВС не бывает, вы не можете сделать карманный ДВС для зарядки планшета. Двигатели внутреннего сгорания не масштабируются «вниз» - и это первое ограничение, которое мы снимаем. Например, это вспомогательная энергоустановка в робототехнике. Она может заряжать аккумулятор на роботе. ДВС такого не бывает, а если бывает, то он сильно шумит, работает недолго и плохо пахнет. При этом КПД у ТОПАЗа выше, чем у ДВС. Если сравнивать с маленькими двигателями внутреннего сгорания, то КПД выше в два-три раза.


—  Две зарубежные компании, которые пытались сделать то же самое, потерпели неудачу. Что не смогли сделать они, и что смогли преодолеть вы?

 —  Дело в том, что у нас речь идет о сочетании нескольких технологий. Существуют так называемые твердооксидные топливные элементы – это высокотемпературные изделия, проводимость которых в твердом электролите работает в диапазоне 700-900 градусов Цельсия. Эти элементы бывают разные. Конструктивно они бывают либо трубчатые либо плоские – планарные. Больше всего распространены плоские топливные элементы, которые для массивных энергоустановок позволяют получить лучшие характеристики. Но для миниатюрных устройств они подходят плохо. Так что первая наша история – это особая, микротрубчатая технология изготовления керамического топливного элемента как таковая.

Компоновка микротрубчатых ТОТЭ.png

Второе – это высокоэффективный предварительный риформинг (температурные превращения углеводородов – прим. ntinews) или переход на технологию так называемого внутреннего риформинга, следующая фаза проекта. Когда мы пойдем в большую серию, именно эта - вторая технология у нас будет применяться. За счет оптимального сочетания двух технологий мы упрощаем конструкцию и снижаем требования к материалам.

Таким образом, у нас сочетается, по сути, микротрубчатая конструкция топливного элемента и реализация эффективного риформинга. Соединить воедино эти элементы в портативном устройстве не удалось пока никому. 

Рисунок_Топаз.png


 —  Какие основные ниши применения ТОПАЗа? 

—  На самом деле, ТОПАЗ - это не одно изделие, а платформа. У нас есть линейка из трех устройств. Первое – это портативное зарядное устройство. Тут все понятно, у нас очень высокая удельная энергоемкость, мы с собой на каждый килограмм веса можем взять больше ватт-часов, чем при любом другом способе хранения или получения энергии в компактном устройстве. Это компактная носимая электростанция на органическом топливе.

Второе – вспомогательная силовая установка для робототехники. Эта штука, установленная в роботе, летающем, ползающем, плавающем, может обеспечивать его электроприводы энергией. Мы агрегируемся с буферным аккумулятором, который снимает пики нагрузки и в постоянном режиме вырабатываем нужную электроэнергию для перемещения дрона. Это принципиально снимает барьеры по энерговооруженности подвижных комплексов – и это революционная технология. Те роботы, которые у нас работали 20 минут, теперь могут работать 200 минут – это принципиальное улучшение, особенно для летающих дронов. При этом мы отказываемся от использования сложных систем, а топливо доступно в любом ларьке – баллончик с пропаном для зажигалок нам подойдет.


—  Если заглянуть в будущее, то и для потребляющих огромное количество энергии квантовых компьютеров это подойдет? 

 —  В каком-то смысле, да. Дело в том, что повысив на порядок энерговооруженность дрона, мы тем самым можем революционно изменить его функциональность. Потому что теперь мы можем ставить на роботы вычислитель, компьютер и избавить его от необходимости очень мощного канала связи. Ведь как сейчас поступают – если нам, например, нужно снять какую-то картинку и распознать ее, например, в гео-информационных системах, мы не можем ставить на дрон компьютер, который достаточно мощный, чтобы заняться распознаванием изображений, мы передаем данные для обработки оператору (вот тут нам нужен широкий канал), а на земле уже происходит распознавание. Сейчас мы можем производить обработку данных непосредственно на роботе, и нам не нужен очень мощный канал связи.

Третья наша история - это портативные квазистационарные энергосистемы, или совсем малая распределенная энергетика, инфраструктура интернета вещей. Это любые датчики, которые стоят «в поле». Например, камеры видеофиксации где-то совсем далеко. Какие у нас варианты? Ставить двигатель с ресурсом менее 500 часов до замены масла? Ставить 2-3 тонны аккумуляторов, чтобы хватило на неделю? Камера маломощная, но ДВС-генераторов настолько маломощных просто нет. Всяческие сенсоры с малым потреблением энергии – это как раз наш рынок. Сюда же относятся средства неинвазивного контроля, диагностики дорожного покрытия, и прочая, и прочая. В том числе, ретрансляторы, спутниковая связь и так далее. На сегодня этот рынок не очень виден как раз потому, что основной барьер в нем – это отсутствие адекватных источников энергии. Так что мы нашим устройством снимаем барьеры глобальных рынков.


—  Вы сразу же нацелены на мировой рынок? 

 —  Да, конечно. Мы видим себя глобальной компанией. Наша стратегия – выносить сертификацию на стратегического партнера в конкретные страны, который будет заниматься развитием за рубежом, а базовую технологию мы хотим оставить в России, у нас тут сильный R&D, и наша задача усиливать его и заниматься опережающим развитием в этой области. Как у Intel. Мозг компании останется в России, а то, что вовне лучше лицензировать – в том числе, и из-за санкций. В БРИКС мы займемся и прямыми продажами, а начнем с России, конечно. 


—  И последний вопрос: правильно ли я понимаю, что ваша разработка имеет корни в Институте проблем химической физики в Черноголовке (на базе одной из лабораторий), в котором появился Центр компетенций НТИ?

 —  Да, мы выросли из науки. Наш основной партнер, это, конечно ИПХФ РАН, кроме этого – Институт высокотемпературной электрохимии и Институт химии твердого тела из Екатеринбурга, Институт катализа, институт Химии твердого тела и механохимии из Новосибирска. Всего у нас 10 совместных лабораторий – восемь из которых совместно с РАН. Благодаря этому сотрудничеству мы имеем возможность влиять на глобальные технологические траектории в области электрохимических технологий.

Беседовал Алексей Паевский

Фото ГК "Инэнерджи"

СПРАВКА

ТОПАЗ расшифровывается как ТвердоОксидная Перспективная Автономная Зарядка. 

В 2016 году группа компаний «Инэнерджи», которая занимается разработкой высокоэнергоемких установок, работающих на органическом топливе (углеводородном), приняла решение выделить разработку ТОПАЗа в ведение отдельной компании. Так появился одноименный научно-исследовательский центр – резидент Сколково.

Объясняется это тем, что технология создания электрохимического генератора на микротрубчатых ТОТЭ очень наукоемкая и практически никем в мире не реализована.  Сейчас ООО «НИЦ «ТОПАЗ» имеет собственный Центр исследований и разработок с 45 сотрудниками, из них 12 – с учеными степенями.

Команда ведущих ученых и специалистов в рамках глобального стратегического видения ГК «ИнЭнерджи» развивает технологию, которая будет воплощена в линейке из 4 продуктов:

1.       Малогабаритная портативная энергоустановка мощностью до 30 Вт.

2.       Автоматизированная малообслуживаемая энергоустановка для распределенной энергетики мощностью до 300 Вт.

3.       Мобильная энергоустановка для робототехники и беспилотных авиационных систем мощностью до 1000 Вт.

4.       Учебно-методический стенд «Высокотемпературные трубчатые топливные элементы» для образовательных учреждений.


#ЭнерджиНет, #Energinet, #топаз, #Кашин, #генератор энергии, #аккумулятор

Подписка на обновления

«Информбюро 20.35» делает почтовую рассылку самых интересных публикаций один раз в неделю. Чтобы подписаться на нее, зарегистрируйтесь или войдите через свою учетную запись на платформе leader-id.ru.