ТВЭЛ копит энергию


Текст: Константин КОБЯКОВ

Считается, что ближайшее будущее автотранспорта — переход на электротягу, а будущее электросетей — переход на «умный» режим работы, при котором исчезнет необходимость постоянно уравнивать объемы производства и потребления. Оба перехода невозможны без внедрения эффективных накопителей энергии. Технологии таких накопителей уже разработаны, осталось только дождаться того уровня спроса, который позволил бы организовать прибыльное производство, говорят в АО «ТВЭЛ».

Фото: Росатом, ТАСС
Системы накопления энергии нельзя назвать новейшим изобретением. Свинцово-кислотный аккумулятор был создан в середине XIX века. Уже к концу этого столетия электромобили с такими источниками питания на равных конкурировали с авто, приводимыми в движение двигателями внутреннего сгорания.

К 1910 году некоторые модели электрических машин могли проехать без подзарядки до 130 км. Но к 1920-м годам электромобили конкурентам проиграли: Генри Форд изобрел конвейер, топливо для двигателей внутреннего сгорания подешевело, и наконец, был изобретен электростартер, сделавший пуск мотора более легким — не надо было вращать тугую ручку механического стартера.

Впрочем, электромобили не канули в Лету. В ХХ веке этот вид транспорта нашел свою нишу — перевозки грузов на площадках промышленных предприятий. Электрокары использовали и на заводах Росатома. В госкорпорации решили, что это прекрасная возможность отработать собственную технологию хранения энергии на основе литий-ионных аккумуляторов.

Исходя из компетенций в области электрохимии, ответственной за новое направление бизнеса была назначена топливная компания «ТВЭЛ». На предприятиях компании также испытывается стационарная технология хранения энергии на литий-ионных аккумуляторах. Собственно, «ТВЭЛ» занимается двумя видами накопителей энергии: передвижными для электротранспорта и стационарными для обеспечения работы оборудования в случае нештатного прекращения подачи электроэнергии.

«Тематика систем накопления энергии с определенного времени стала мировым трендом. Нельзя сказать, что разработка таких систем — наша инициатива или что идея родилась внутри госкорпорации "Росатом". Скорее, наоборот: мы, видя, что происходит на рынке электрохимических систем накопления энергии, поняли, что такие накопители начинают коммерциализироваться в больших системах накопления: используются как в электроэнергетике, так и в потребительских областях — таких как электротранспорт», — рассказывает директор департамента программ по созданию и развитию новых бизнесов АО «ТВЭЛ» Александр Камашев.

ТВЭЛ уже сейчас изготавливает активные материалы для литий-ионных аккумуляторов. Впрочем, сами аккумуляторы для собственных накопителей пока закупает. Нужно отметить, что система накопления энергии — это не только литий-ионные аккумуляторы, но и специальная обвязка электротехническим оборудованием.

Поверка на себе
Испытывать накопители энергии собственной конструкции в «­ТВЭЛе» решили на своих предприятиях. Заменили ими ряд действующих стационарных систем бесперебойного питания на УЭХК и НЗХК, а также накопители на внутриплощадочном транспорте на УЭХК и ЭХЗ.

«Сегодня в качестве стационарных мы используем системы, которые обеспечивают аварийное питание неосновного оборудования. Дело в том, что вопросы, связанные с основным оборудованием, сопряжены с дополнительной верификацией, референциями. Апробируя имеющиеся решения, мы получаем потенциал применения таких систем в более ответственных сегментах основного производства», — поясняет А. Камашев.

Главный эффект от внедрения накопителей энергии на литий-ионных аккумуляторах — снижение эксплуатационных затрат. Свинцово-кислотные аккумуляторы требуют серьезного обслуживания. Их нужно свозить в специальные помещения для зарядки, периодически проверять, доливать электролит. То есть необходимо поддерживать целую инфраструктуру обслуживания. Эксплуатация литий-ионного накопителя гораздо проще: чтобы зарядить, достаточно подсоединить его к розетке. Доливки электролита он не требует. Пример транспорта на производственных площадках «ТВЭЛа» показывает, что перевод систем накопления энергии со свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные окупается за 1,5–3 года в зависимости от режимов эксплуатации.

Что касается срока эксплуатации, то, по словам А. Камашева, литий-ионные системы отличаются от традиционных в лучшую сторону. «Когда накопитель постоянно работает в режиме приема-выдачи энергии, разница между свинцово-кислотными и литий-ионными аккумуляторами существенна: если у первых количество циклов заряда-разряда измеряется сотнями, то у вторых — тысячами», — говорит менеджер «ТВЭЛа».

Конечно, в тех случаях, когда система накопления энергии работает в режиме источника бесперебойного питания, количество циклов заряда-разряда — не главный показатель. Здесь новая технология оказывается более эффективной за счет того, что степень доступности литий-ионных аккумуляторов выше: если свинцово-кислотный можно разряжать только до уровня в 50 % номинальной емкости, то литий-ионный — до 20 %.
Таблица 1. Сравнение основных характеристик свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов (по открытым данным)
Рынок
По оценкам маркетологов Топливной компании «ТВЭЛ», российский рынок систем накопления энергии пока недостаточно велик для создания собственного производства литий-ионных аккумуляторов. Косвенно в пользу такой оценки свидетельствует судьба единственного в России завода по производству литий-ионных аккумуляторов «Лиотех». Предприятие было признано банкротом в январе 2016 года. Впрочем, производственная линия сохранена. Сейчас «Лиотех» сконцентрировался на производстве батарей для транспортных систем накопления энергии.

Главная особенность российского рынка накопителей — преобладание на нем в силу структуры экономики государственных и муниципальных компаний. «Это налагает определенные ограничения: покупателю сложнее принять решение о покупке более современных и эффективных, но и более дорогих систем хранения энергии. Даже при том, что у них стоимость владения ниже, чем у традиционных накопителей.

Госкомпании ориентируются на текущие бюджеты. И если в бюджете на закупку систем накопления энергии была предусмотрена энная сумма денег, то именно ее и потратят. Пусть даже более дорогая и эффективная система хранения окупится в течение пяти лет. Бюджет есть бюджет», — говорит А. Камашев. Он признает, что сегодня литий-ионные системы накопления энергии дороже свинцово-кислотных. Например, в ответственных системах энергообеспечения разница может доходить до двух раз.

В «ТВЭЛе» считают, что их стационарные системы накопления могут быть востребованы не только промышленными предприятиями. К числу потенциальных клиентов здесь относят и электросетевые компании. Сегодня такие компании проявляют интерес к накоплению энергии очень активно, признает А. Камашев. Однако концепция применения накопителей энергии пока только разрабатывается в рамках Национальной технологической инициативы, точнее, в той ее части, которая называется «Платформа Energy Net». В обсуждении принимают участие крупные сетевые и генерирующие компании, в том числе предприятия Росатома. В перспективе концепция будет преобразована в дорожную карту развития систем накопления энергии.

«На данный момент основной ограничитель для организации производства литий-ионных аккумуляторов в „ТВЭЛе" — неготовность рынка принимать промышленные объемы этой продукции», — утверждает А. Камашев. Маркетологи топливной компании Росатома отслеживают ситуацию, ориентируясь на российский рынок как точку входа. После приобретения опыта работы на российском рынке, разработки и запуска в производство продукта, опережающего по своим параметрам зарубежные аналоги, можно будет ориентироваться и на выход на мировой рынок.

Справка
Завод по производству литиево-ионных батарей «Лиотех»
«Лиотех» был основан в 2010 году государственной компанией «Роснано» для создания и развития технологий производства литий-ионных аккумуляторов.

Завод был запущен в эксплуатацию в декабре 2011 года в Новосибирске. Он производит аккумуляторы емкостью до 300 А·ч с плотностью энергии до 105 Вт/ч на 1 кг массы. Заявленный ресурс аккумуляторов «Лиотеха» — 5000 циклов заряда-разряда при разряде до 20% емкости. До уровня 80% емкости батареи новосибирского завода можно зарядить за 20 минут.

Для организации производства «Лиотех» получил от «Роснано» кредит в объеме 5,5 млрд руб. За время работы завода его задолженность выросла до 9 млрд руб. Инвестиции в проект составили 15 млрд руб. Соинвестором выступила китайская корпорация Thunder Sky Group, но к 2013 году завод так и не вышел на проектную мощность, и китайцы отказались от дальнейшего финансирования проекта.

В 2016 году «Лиотех» был признан банкротом, его правопреемницей стала компания «Энергетические решения». На заводе было введено внешнее управление.

Несмотря на то что «Лиотех» изначально строился в расчете на поставки в Китай, среди российских чиновников преобладает мнение, что причиной его неудачи стала неготовность российского рынка к потреблению значительных объемов литий-ионных аккумуляторов. Сейчас внутрироссийский рынок начал расти, что дает новосибирскому заводу шанс на возрождение.
Что дальше
В «ТВЭЛе» считают, что через один-два года спрос на системы накопления энергии вырастет в два раза и станет достаточным, чтобы топливная компания смогла запустить промышленное производство собственных аккумуляторов. Поэтому компания находится в режиме повышенной готовности — решение о начале строительства соответствующего завода может быть принято в ближайшие год-полтора.

К настоящему времени специалисты «ТВЭЛа» разработали системы накопления энергии емкостью в сотни киловатт-часов. Однако, будучи предназначенными для обеспечения аварийного питания основного производства, они должны иметь энергоемкость в несколько мегаватт-часов. Разработка таких накопителей — следующий шаг в развитии нового неядерного бизнеса топливной компании.

«Я думаю, что в течение трех лет у нас в стране произойдет переход на системы накопления энергии мегаваттного класса», — говорит А. Камашев.

Параллельно инженеры «­ТВЭЛа» занимаются НИОКР в целях улучшения характеристик литий-ионных аккумуляторов собственной конструкции. «Мы работаем над технологиями: совершенствуем производство активных материалов, технологию сборки ячеек, улучшаем их конструкцию, для того чтобы при принятии решения о производстве предлагать продукт, который будет превосходить существующие на внутрироссийском и внешнем рынках аналоги», — заявил А. Камашев.

Напомним, «ТВЭЛ» пока закупает такие аккумуляторы у сторонних производителей, но в ближайшем будущем планирует организовать собственное производство. Площадка еще не выбрана окончательно, хотя в компании признают, что все основные компетенции Росатома по литию сосредоточены на Новосибирском заводе химконцентратов (НЗХК).

По словам А. Камашева, перед инженерами топливной компании поставлена задача повысить удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов собственной разработки на 10–20 % относительно уровня имеющихся на рынке продуктов. Речь идет об энергоемкости и циклируемости.

Менеджер «ТВЭЛа» считает, что в ближайшие годы основным драйвером роста рынка накопителей энергии станет общественный электротранспорт. В некоторых городах, например в Новосибирске, парк муниципального транспорта пополнили десятки гибридов электробуса и троллейбуса, способные проехать 20–30 км без контактной сети.

В Москве и Санкт-Петербурге электрические автобусы уже эксплуатируются в опытном режиме. Причем столица выбирает из нескольких производителей: СМИ сообщают, что городские власти опробуют электробусы китайской марки Yutong и финской Linkker. В сентябре свой продукт второго поколения для проката Москве предоставил КамАЗ. Российская компания передала городу комплекс электробус — зарядная станция. Электрический транспорт из Набережных Челнов работает на литий-титанатных аккумуляторных батареях. Максимальный заявленный запас хода составляет 70 км. При этом машину второго поколения «КамАЗ‑6282» можно полностью зарядить от зарядной станции всего за 20 минут, утверждает производитель.

Электротранспорт сейчас — значимое направление автомобильной промышленности во всем мире. Лидером в этом сегменте пока остается компания Tesla Motors из США. Однако европейские концерны уже осознали важность нового рынка. Так, немецкая компания Volkswagen в сентябре объявила о намерении вложить в разработку и производство собственной линейки электромобилей 70 млрд евро до 2030 года.

Автоконцерн рассчитывает создать к этому времени порядка 300 моделей электрокаров. Примерно 50 млрд евро из заявленной суммы Volkswagen направит на создание завода по выпуску аккумуляторов в промышленных масштабах. Построить такое производство планируется уже к 2025 году.

Примечательно, что поставщиком сырья для одного из немецких заводов аккумуляторов может стать российская компания «Норникель». Ее руководство уже объявило о начале переговоров относительно поставок никеля и кобальта с немецким концерном BASF.
Комментарий эксперта


Дмитрий ЧЕГОДАЙКИН,
руководитель проекта блока по развитию и международному бизнесу госкорпорации «Росатом»:

— По мнению Госкорпорации «Росатом», потенциальная потребность в системах накопления электроэнергии как транспортного, так и энергетического рынков огромна. Но из-за более сложного и консервативного регулирования энергетических рынков рост спроса на накопители и в мире, и в нашей стране пока будет опираться на электротранспорт. Развитие электротранспорта в каждой стране имеет свои особенности.

В России в силу ее значительной географической протяженности и относительно низкой плотности населения на большей части территории в первую очередь целесообразно развивать общественный городской транспорт (электробусы, троллейбусы с автономным ходом), а не индивидуальный (как это делают Tesla и традиционные автопроизводители). При этом необходимо отметить, что в себестоимости основных узлов электробуса система накопления энергии составляет от 45 до 60%.

Сейчас формируется продуктовая стратегия госкорпорации в области систем накопления энергии; параллельно мы развиваем отношения с российскими автопроизводителями (в частности с КамАЗом), разрабатываем для них соответствующие решения. Также мы взаимодействуем с муниципальными транспортными предприятиями — потенциальными заказчиками общественного электротранспорта. Для разных городов потребуются разные схемы организации общественного электротранспорта. Например, для Москвы не просто так выбран дорогой вариант, основанный на литий-титанате.

Для мегаполиса возможность максимально быстро заряжать электробусы большими токами — отсекающий фактор (интервалы движения между электробусами одного маршрута должны быть минимальными, время работы маршрута — максимальным, в перспективе круглосуточным).

Для малых городов более подходящим может оказаться вариант троллейбуса с удлиненным автономным ходом. В этом случае можно задействовать существующую инфраструктуру (часть маршрута троллейбус двигается на аккумуляторах, часть — подключенным к существующей контактной сети, одновременно подзаряжая батареи) и использовать менее мощные батареи, базирующиеся на литий-железо-фосфатной технологии.

Буквально на днях нас пригласили вступить в Национальный консорциум развития электрического транспорта. Мы, конечно же, включимся в работу этой структуры, поскольку одна из основных проблем любой новой технологии — неготовность нормативной базы и отсутствие необходимых технических стандартов; и создавать все это целесообразно с самого начала совместно со всеми заинтересованными сторонами.

Кроме того, необходимо отметить, что развитие электротранспорта напрямую зависит от наличия и стоимости зарядной инфраструктуры, в частности электрозаправочных станций. Хотя зарядные станции — менее технически сложный и маржинальный продукт (по сравнению с системами накопления энергии), у нас есть необходимые для их разработки компетенции и, соответственно, это также входит в сферу наших интересов.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА