«КПД 99,99%» — учёный МАИ Константин Ковалёв о разработке кинетического накопителя энергии

В ближайшее время в России планируется начать опытную эксплуатацию не имеющего в стране аналогов сверхпроводникового кинетического накопителя энергии. Об этом в интервью RT сообщил руководитель группы разработчиков этого изделия, заведующий кафедрой 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ, доктор технических наук Константин Ковалёв. По словам учёного, устройство наиболее оптимально решает проблему обеспечения бесперебойного электроснабжения и по многим параметрам превосходит литий-ионную батарею. В качестве автономного источника бесперебойного питания накопитель может использоваться на АЭС, в дата-центрах, медицинских учреждениях и на промышленных предприятиях.

Константин Львович, что представляет собой сверхпроводниковый кинетический накопитель энергии (КНЭ)? Что это за устройство?

КНЭ необходим для накопления и хранения энергии. Это прежде всего автономный источник бесперебойного питания.

КНЭ способен выравнивать график нагрузки в электросети, сглаживать колебания мощности и обеспечивать наиболее оптимальные режимы работы того или иного оборудования.

Прототип изделия, который создал коллектив МАИ, не имеет аналогов в России. Была проделана большая работа по интеграции в конструкцию сверхпроводникового кинетического накопителя ряда действительно уникальных решений. И что немаловажно, мы знаем, как лучше всего применять КНЭ и серийно производить его.

Поясню: принцип работы кинетического накопителя заключается в том, что он преобразует механическую энергию вращающегося маховика в электрическую энергию мотор-генератора.

Особенность конструкции нашего кинетического накопителя заключается в том, что она позволяет минимизировать электрические и механические потери, а также избавиться от трения вращающихся частей о воздух, что позволяет достичь КПД 99,99%.

Конструктивно наш кинетический накопитель состоит из маховика, электродвигателя, который, собственно, приводит в движение маховик, подшипников и магнитов.

Что такое маховик? В детстве все играли с юлой. И вертелась она долго из-за того, что контакт между ней и поверхностью стола был минимальным. В накопителе энергии роль юлы выполняет маховик. В процессе работы КНЭ он раскручивается, запасает кинетическую энергию, а потом преобразует её в электрическую.

Для того чтобы маховик мог работать безостановочно, максимально эффективно накапливать, сохранять и передавать энергию, необходимо минимизировать трение, практически убрать его. Это как раз и было сделано.

Понятно, что аэродинамические потери (сопротивление воздуха) легко убираются, когда маховик помещается в вакуум, — для этого был изготовлен так называемый вакуумированный корпус.

Намного сложнее обстояло дело с механическим сопротивлением в подшипниках. Чтобы решить эту проблему, в нашем устройстве был применён эффект запоминания магнитного потока жёсткими сверхпроводниками второго рода при их охлаждении в присутствии магнитного поля.

Если говорить проще, то усилиями инженеров МАИ была разработана технология организации бесконтактного магнитного подвеса с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых подшипников. Так мы смогли справиться с механическим трением подшипников.

«Магнитная опора» была создана и для такого массивного изделия, как ротор. Благодаря ей удалось повысить жёсткость подшипников. То есть масса, которая вращается в КНЭ, осталась той же, а вес воздействия на подшипники стал минимальным. Эта идея была почерпнута из ядерной энергетики.

Помимо этого, мы убрали гистерезисные потери в мотор-генераторе. Наш коллектив смог сделать так называемый безжелезный агрегат. Конечно, металлические детали в нём есть, просто они не реагируют на магнитные поля.

В нашем КНЭ, в отличие от других подобных устройств, энергетические затраты необходимы по большому счёту только на охлаждение магнитных подшипников.

А как давно в МАИ стали заниматься магнитными подвесами?

«Магнитными опорами» мы начали заниматься около 20 лет назад, после получения заказа на разработку технологии высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе. Практического применения она не нашла в силу дороговизны. Однако этот проект позволил получить сверхпроводниковые бесконтактные подшипники, о которых я говорил выше.

Помимо нас, темой магнитных подвесов занимаются МГТУ им. Баумана и МЭИ. Собственно, сотрудники этих вузов и принимали участие в разработке нового КНЭ. Со стороны МАИ над изделием работали учёные кафедры 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы».

В чём кинетический накопитель энергии МАИ уступает и в чём превосходит изделия с тем же функционалом?

По своему функционалу КНЭ близок к литий-ионной батарее, которая сейчас широко используется в самых разных сферах для обеспечения бесперебойного питания.

Данный тип аккумулятора завоевал всемирную популярность из-за относительной простоты эксплуатации. Вместе с тем у него немало существенных недостатков. Это, как правило, низкая удельная энергоёмкость, незначительное количество циклов разряда-заряда, ограниченный срок эксплуатации, взрывоопасность, отсутствие отработанной экологически безопасной технологии утилизации.

Литий-ионная батарея превосходно подходит для использования в мобильных телефонах. Однако в спутниках, транспортных средствах и тем более в энергетике требуются источники электропитания, которые будут работать при больших нагрузках весьма продолжительный период времени.

Конечно, можно установить литий-ионные батареи, которые имеют ресурс на десятки тысяч циклов разряда-заряда, но это будет очень тяжёлое устройство.

КНЭ может быть более габаритным, но он легче и практически лишён ограничений на количество циклов разряда-заряда — это буквально десятки миллионов единиц. К тому же он абсолютно экологичен, безопасен, ему не требуется система управления.

С моей точки зрения, кинетический накопитель более эффективен, чем литий-ионная батарея, в качестве аварийного или резервного источника питания. Также КНЭ позволяет продлить срок эксплуатации наземных энергостанций и космических аппаратов, имеющих солнечные панели.

Например, предельный ресурс эксплуатации современного спутника дистанционного зондирования Земли составляет семь лет, однако в реальности он работает ещё меньше — буквально два-три года. За сутки спутник дважды заряжается и разряжается. Если посчитать, то за максимальный срок эксплуатации (семь лет) выходит чуть более 5 тыс. циклов разряда-заряда.

Чтобы продлить период работы спутника, можно поставить на него более тяжёлый литий-ионный аккумулятор. Но, естественно, это повлечёт увеличение массогабаритных характеристик космического аппарата и, скорее всего, усложнит вывод его на орбиту.

В каких ещё сферах можно применять КНЭ?

Спектр применения кинетического накопителя энергии весьма широк. Если говорить о нём как об источнике аварийного питания, то его имеет смысл применять в дата-центрах, на атомных электростанциях, в медицинских учреждениях, на химическом и металлургическом производстве. Фактически КНЭ требуется любым организациям и предприятиям, где критически важно не допускать сбоев с подачей электричества.

В случае прекращения питания кинетический накопитель будет способен обеспечить потребителей электричеством до включения резервного источника. Сейчас в качестве резервного источника используются в основном дизель-генераторы. На их запуск требуется определённое количество времени. По регламенту это, как правило, десять минут, но при низких температурах этот отрезок может оказаться гораздо продолжительнее.

КНЭ удобен и как компенсатор пиковых потреблений мощностей, то есть он даёт дополнительную энергию при резком повышении потребления электричества.

Третье направление — это рекуперация (обратное получение, возврат) энергии в транспортных системах. Когда машина тормозит и ускоряется, образуется кинетическая энергия, которую с помощью маховика (размещён на оси ходовой части) можно запасать и, например, использовать, когда транспортное средство движется на подъём. В нынешних реалиях КНЭ вполне может быть интегрирован в механизмы гибридных автомобилей и электробусов вместо аккумуляторов, которые рано или поздно придётся как-то утилизировать.

Значительный вклад, как мне представляется, кинетический накопитель может внести в усиление мощности бортовых радиолокационных станций, средств радиоэлектронной борьбы и лазерных установок.

На какой стадии находится реализация проекта КНЭ?

На сегодняшний день создан макет устройства, и нашей ближайшей целью является доводка прототипа до изделия, которое можно будет отправить на опытную эксплуатацию. Мы рассчитываем интегрировать кинетический накопитель в качестве аварийного источника питания на АЭС.

В конце прошлого года коллектив МАИ презентовал проект сверхпроводникового кинетического накопителя энергии на Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости EuCAS — 2021. Доклад вызвал большой интерес у зарубежной аудитории.

Европейцы осознают важность таких технологий в энергетике и дата-центрах. Но наша приоритетная цель — это развитие проекта на российском рынке, особенно в контексте импортозамещения. Сейчас мы чувствуем интерес со стороны промышленных предприятий, которые нуждаются в регулировании пиковых потреблений электроэнергии. Причём этот интерес «горячий», то есть требует срочных, неотложных решений. Если будут соответствующие договорённости, то мы готовы решить вопросы по организации производства КНЭ под техническое задание потребителей.

Можно ли организовать серийное производство КНЭ?

Да, это реально, хотя существуют определённые трудности. В частности, сейчас есть проблема с изготовлением в РФ массивных сверхпроводников. Пока эти изделия могут в небольших количествах производить МГТУ им. Баумана и компания «СуперОкс». Но наращивание масштабов выпуска массивных сверхпроводников, как я думаю, — вполне решаемый вопрос.

Фото: Обрудование энергообеспечения / РИА Новости / © Игорь Зарембо