Прошедший год стал для электротехнической отрасли как в России, так и за рубежом, периодом больших изменений. Многие технологии, которые долгие годы вызывали интерес только в узком кругу ученых, стали массово использоваться в повседневной жизни. И это понятно — прогресс не остановить.
С другой стороны, в 2019 г. было довольно много консерватизма — предприятия отрасли часто отдавали предпочтения хорошо проверенным технологиям, которые лишь подверглись некоторой модернизации.
Год традиционно открылся выставкой потребительской электроники CES, прошедшей в Лас-Вегасе. Наряду с телевизорами и аудиосистемами, был продемонстрирован первая модель лазерной автомобильной фары, предназначенной для серийного производства. Лазерный луч возбуждает трехполосный люминофор, в результате чего фары дают белое свечение. Огромный интерес к фарам был связан не только с перспективами их серийного производства, но и с тем, что они были разработаны Суджи Накамуро — нобелевского лауреата по физике, одного из создателей мощных осветительных светодиодов.
Электромобиль — не роскошь...
Тема «автомобили и электричество» вообще была одной из главных в прошедшем году. Электромобили, как известно, пока обладают рядом недостатков, такими, как значительное уменьшение емкости аккумуляторов на морозе, ограниченное число циклов «заряд-разряд», наличие в аккумуляторах крайне токсичного металла лития. Решить все перечисленные проблемы призван переход от аккумуляторов к суперконденсаторам.
В феврале Tesla за 218 млн долл. покупает ведущего американского производителя суперконденсаторов (ультраконденсаторов) Maxwell Technologies. Сразу распространяются слухи, что Илон Маск хочет заменить в своих электромобилях аккумуляторы на суперконденсаторы. Но до конца года это так и не происходит, поэтому более правдоподобной представляется версия, что Tesla более интересная технология усовершенствованных литий-ионных аккумуляторов, также разработанная купленной фирмой.
Несмотря на это, покупка производителя суперконденсаторов все равно подогрела интерес инвесторов к данной технологии. В мае американское агентство Polaris Market Research выпустило прогноз, что мировой рынок суперконденсаторов вырастет до 8 млрд долл. уже в 2026 г.
Впрочем, насчет перспектив применения суперконденсаторов мнения специалистов не так однозначны. Например, удостоенный в октябре премии «Глобальная энергия», доктор Халил Амин (наряду с ним премию также получил Фреде Блобьерг) считает, что и в обозримом будущем в электромобилях будут применяться только аккумуляторы. По его мнению, при низких температурах есть проблема только в старте электромобиля, далее уже работает система подогрева. Для старта Халил Амин предлагает использовать обычные свинцово-кислотные аккумуляторы, более устойчивые к морозу.
Аккумуляторы применены и в самой громкой премьере 2019 г. — пикап Tesla Cybertruck. Его продемонстрировали публике в ноябре. Дело не только в том, что этот автомобиль имеет необычный дизайн, а его кузов выполнен из нержавеющей стали. Пикап — самый массовый тип автомобиля в США, на нем ездит почти вся «одноэтажная Америка», где и проживает подавляющее большинство населения страны. Илон Маск тем самым решил освоить самый интересный сегмент автомобильного рынка. Если ему это удастся, электромобили из «игрушки для любителей высоких технологий» превратятся в по-настоящему массовый продукт.
Инновации на железной дороге
Массовое внедрение суперконденсаторов в электромобили пока откладывается, но уже сейчас данная технология нашла свое применение на железной дороге. Высокогорный участок железнодорожной магистрали в Италии был оснащен источником бесперебойного питания (ИБП), который обеспечил требуемую надежность энергоснабжения средств сигнализации и стрелочных переводов. На протяжении 6 минут он может давать мощность 20 кВт. Впервые был применен ИБП на суперконденсаторах, что позволило полностью отказаться от обслуживания системы. Изготовила и установила данный ИБП российская фирма «ТЭЭМП». Вот так российские технологии завоевывают Европу. Об этом было рассказано на Российской энергетической неделе (РЭН), прошедшей в октябре.
Вообще, тема инноваций в железнодорожном транспорте была одной из главных на этом мероприятии. Та же компания «ТЭЭМП» представила концепт тепловоза с использованием суперконденсаторов, который будет обладать, по сравнению с обычным тепловозом, более высокой надежностью и значительно меньшим потреблением топлива (а также и пониженным выбросом парниковых газов в атмосферу). В тепловозах уже не одно десятилетие применяется электрическая трансмиссия — электричество, вырабатываемое дизель-генератором на борту, передается на электромоторы, связанные с колесами. Предлагается установит суперконденсаторы, которые дают дополнительную энергию на пиках мощности тепловоза. При этом дизель постоянно работает в оптимальном режиме, характеризующимся большим сроком службы и малым потреблением топлива.
Другой интересный проект, презентованный на РЭН — повышение пропускной способности железных дорог за счет установки литий-ионных аккумуляторов на питающих подстанциях. Он уже сейчас реализуется силами Омского университета путей сообщения, госкорпорации «Роснано» и компании «Русэнергосбыт». Дело в том, что количество грузовых составов, одновременно находящихся на данном участке железной дороги, ограничено возможностями питающей подстанции. Предполагается на пиках энергопотребления подключать литий-ионные аккумуляторы (которые заряжаются в моменты, когда интенсивность движения низкая), что позволит пускать дополнительные поезда.
Силовая электроника
Развитие электротранспорта и цифровой электроники требует перехода от электромеханическим к полупроводниковым переключающим элементам. А внутри категории полупроводниковых приборов — от медленно работающих тиристоров к более быстродействующим транзисторам.
В марте компания Cree продала свое подразделение по производству светодиодных светильников и ретрофитов. Полученные деньги были вложены в расширение производства мощных быстродействующих транзисторов на основе нитрида галлия, а также освоение новой для Cree категории продуктов — транзисторов на основе карбида кремния. Конкуренция нитрида галлия и карбида кремния держала в напряжении специалистов весь год. Но в итоге стало ясно — каждая из технологий будет занимать свою нишу. Нитрид галлия оптимален для устройств средней мощности. Высокое быстродействие позволяет работать преобразователям напряжения на более высокой частоте, что уменьшает размеры блоков питания. Но, когда речь идет о коммутации больших токов, карбид кремния здесь вне конкуренции.
В ноябре было объявлено о начале серийного производства принципиально нового типа полупроводниковых приборов — HEMT-транзисторов на нитриде галлия, а также микросхем на их основе. Основная особенность новых приборов — они почти не нагреваются при работе в импульсном режиме, что позволяет значительно уменьшить размеры блоков питания. Ранее HEMT-транзисторы уже выпускались в США для радиолокаторов и других специальных применений, но они были на основе арсенида галлия. Теперь же их делают на основе нитрида галлия и они предназначены для нужд энергетики. Предложить данную технологию для широкого применения американцев побудило развертывание сетей 5G, предъявляющих повышенные требования к блокам питания базовых станций.
Действительно ли альтернативная энергетика безопасна для природы?
В 2019 г. на весь мир прозвучал призыв шведской экологической активистки Греты Тунберг заменить углеводородную генерацию (проще говоря, нефть и газ) на энергию ветра и солнца. Но не все так однозначно. Про вредность производства солнечных батарей и так все ясно, а как обстоит дело с ветряками? В июне экологи «докопались» и до этой проблемы.
До сих пор в ветряках используются лопасти из стеклопластика. Типичный ветрогенератор содержит в себе около 50 тонн этого вредного вещества, которое загрязняет окружающую среду, если просто выбросить лопасти на свалку. Переработка стеклопластика также затруднена. А обратили внимание на данную проблему только сейчас, когда подошел срок плановой замены первых ветрогенераторов.
В качестве одного из решений предлагается изготавливать лопасти из дерева. Но более реалистичным вариантом специалисты считают производство лопастей из термопластичной пластмассы, которая может быть переработана путем переплавки.
Мне сверху видно все, ты так и знай!
В 2019 г. в России начато внедрение технологии контроля состояния ЛЭП, словно пришедшей к нам из научной фантастики. В Центральном и Приволжском федеральных округах некоторые ЛЭП периодически осматривают беспилотные летающие аппараты. Эти аппараты летают в полностью автоматическом режиме, оценка состояния отдельных участков ЛЭП проводится частично в автоматическом режиме на основе системы искусственного интеллекта. Причем, благодаря обучаемости системы на конкретных примерах, с каждым месяцем все большее количество параметров оценивается без участия человека. Об этом на Международном форуме «Электрические сети», прошедшем на ВДНХ в декабре, рассказал первый заместитель генерального директора — главный инженер ПАО «МРСК Центра» — управляющей организации ПАО «МРСК Центра и Приволжья» Александр Пилюгин. Используются беспилотники зарубежного производства, но программное обеспечение — полностью отечественной разработки. В ближайшее время мы планируем более подробно рассказать об этой инновации на страницах журнала «Электротехнический рынок».
И, наконец, о важнейшем из искусств. В 2019 г. на экраны всего мира вышел голливудский блокбастер «Война токов» о том, как в конце XIX века шел непростой выбор между системами электрификации на постоянном и переменном токе. В декабре его премьера состоялась и в России. Голливуд задает общемировые тренды. И Голливуд ничего просто так не делает. Фильм не случайно вышел на волне интереса к использованию постоянного тока в электроэнергетике. Конкурентная борьба между концепциями, предложенными Эдисоном и Вестингаузом до сих пор продолжается. Возможно, наступивший год покажет, действительно ли за постоянным током будущее, или Вестингауз все же был прав?
