Nickelvol32no1may2017 rus fb

Аккумуляторные батареи повышают безопасность шахт Автономное хранение электроэнергии на базе аккумуляторных батарей ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЕН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ

Аккумуляторная технология — применение никеля в прошлом, настоящем и будущем

Май 2017 г., т. 32, № 1

Управляя энергосетью — спрос и меры реагирования

© SOLAR IMPULSE | MERZ | REZO.CH

© SOLAR IMPULSE | REVILLARD | REZO.CH

«Солнечный «Солнечный импульс 2» летит над Швейцарией во время лётных испытаний в 2014 г.

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 9

«СОЛНЕЧНЫЙ ИМПУЛЬС 2» Н

аходясь сутки напролёт в воздухе, используя исключительно накопленную энергию солнца, самолёт «Солнечный импульс 2» (Си2)(Solar Impulse 2 — Si2) совершил невероятное и вошёл в историю, облетев мир без топлива. Сидя по очереди в одноместном воздушном судне, его создатели Бертран Пиккáр (Bertrand Piccard) и Андре Боршбéр (André Borschberg) покрыли расстояние в 43041 км, совершив 17 перелётов. Они пересекли Азию, Тихий океан, США, Атлантический океан, Средиземное море и Ближний Восток. Проектируя самолёт, Пиккар и Боршбер понимали, что им следует построить сверхлёгкую конструкцию с большим размахом крыла для уменьшения лобового сопротивления и с большой поверхностью для размещения достаточного числа фотоэлементов, чтобы запасти максимальное количество энергии для ночного перелёта на батареях. «В конструкции воздушного судна использованы самые передовые технологии. Она стимулировала научные исследования в таких областях, как композитные конструкции, легковесные материалы, электрические двигатели и методы управления и хранения энергии», — сообщил Андре Боршбер. Андре Боршбер установил рекорд перелёта, вылетев из Японии на Гавайи и пролетев пять дней и ночей подряд над Тихим океаном. А Бертрану Пиккару удалось первому пересечь Атлантический океан на самолёте на солнечных батареях. В общей сложности было поставлено 19 мировых рекордов, некоторые из которых всё ещё ждут подтверждения Всемирной федерации авиаспорта (World Air Sports Federation — Fédération Aéronautique Internationale, FAI). «Мы должны были максимально использовать каждый ватт, поставляемый солнцем, сохраняя любой излишек энергии в батареях. Мы изучили все возможные способы эффективного использования энергии», — сказал Андре Боршбер. В Си2 были установлены батареи, работающие на основе передовой сверхмощной литий-никель-марганец-кобальт-оксидной (NMC) аккумуляторной технологии компании Kokam Co. Ltd. Этот тип батареи был выбран из-за высокой плотности энергии, а также благодаря её способности работать в условиях широкого диапазона температур, уровней влажности и давления. При четырёх комплектах сверхмощных батарей NMC, обеспечивающих 38,5 кВт·ч каждая, с ёмкостью элемента 150 А·ч, что в сумме позволяло накопить 154 кВт·ч энергии, 17248 фотоэлементов на борту Си2 производили 11 тыс. кВт·ч электричества, бόльшая часть которого накапливалась в батареях NMC, а потом разряжалась для обеспечения самолёта электроэнергией в ночное время. Удельная энергоёмкость сверхмощных батарей NMC — приблизительно 260 ватт·час/кг. Такая высокая удельная энергоёмкость позволяет Си2 хранить больше энергии без увеличения веса или размера самолёта. К тому же эффективность батарей составляет 96%, а это означает, что при зарядке и разрядке батарей меньше энергии тратится впустую.

 НИКЕЛЬ. ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ

 «Солнечный импульс 2» на аэродроме в г. Пайерне, Швейцария, в 2014 г.

СОЛНЕЧНЫЙ ИМПУЛЬС 2 ФАКТЫ: • В крылья встроены 17248 фотоэлементов, питающих четыре батареи (38,5 кВт·ч каждая), которые в свою очередь питают 4 электромотора (13,5 кВ каждый) и пропеллеры.

• Одноместное воздушное судно сделано из композитного материала на основе углеродного волокна.

• Негерметичная кабина экипажа размером 3,8 м3 • Размах крыла 72 м (больше, чем у «Боинга 747», — 68 м.)

• Длина — 25 м • Вес 2300 кг (как у большого семейного автомобиля) • Крейсерская скорость — 45-55 км/час (25-30 KIAS (приборная воздушная скорость в узлах) на уровне моря) • Максимальная высота — 8500 м «Эшелон 280 (28,000 футов) • Эффективность силовой установки 93%, «т.е. потери энергии составляют всего 7%

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

«НИКЕЛЬ», Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

Журнал посвящен никелю и его применению.

ISTOCKPHOTO.COM © LILIBOAS

Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Дэвид Батлер (David Butler), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор Авторы статей: Джон Чапман (John Chapman), Парул Чхабра (Parul Chhabra), Гари Коутс (Gary Coates), Питер Келли-Детуилер (Peter Kelly-Detwiler), Карли Леонида (Carly Leonida), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Марсел Онинк (Marcel Onink), Кристина Остерман (Kristina Osterman), Найджел Уорд (Nigel Ward)

С Институтом никеля можно связаться: Rue Belliard 12 Brussels 1040, Belgium Tel. +32 2 290 3200 communications@nickelinstitute.org Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией.

ISSN 0829-8351

ЗАРЯЖАЯ ЭНЕРГИЕЙ БУДУЩЕЕ Рынок аккумуляторных батарей в движении — как в прямом, так и в переносном смысле этого слова. Беспокойство в связи с изменением климата, стремление к эффективному использованию энергии и введение странами норм выброса углекислого газа в окружающую среду способствуют внедрению в нашу жизнь гибридных автомашин и электромобилей. Добавьте к этому повышенный интерес к технологиям использования возобновляемых источников энергии, включая аккумуляторные батареи, и создание запасов энергии, а также рост мирового спроса на батареи с повышенным ресурсом для питания электронного оборудования, смартфонов и электромопедов. Какая динамичная картина! РОСТ ДОЛИ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ЛИТИЙ-ИОННЫХ БАТАРЕЙ

Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Обложка: компания Constructive Communications Фотографии на обложке: компания Constructive Communications

СОДЕРЖАНИЕ Практическое исследование «Солнечный импульс 2». . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 В фокусе Колонка редактора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Главные темы выпуска Батареи — прошлое, настоящее, будущее . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4-5 Важность никеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Энергия в аккумуляторах для питания электросетей . . . . . . . . . . . . . . 6-7 Системы управления спросом на электроэнергию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8-9 Утилизация и переработка батарей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-11 Никель и его применение Подземные рудники . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12-13 Никелированная сталь для батарей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Шевроле Bolt EV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Коротко о разном Хранение солнечной энергии . . . . . . . . . . . 14 Сейсмоустойчивый мост. . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Ссылки на веб-страницы. . . . . . . . . . . . . . . . . 15

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

High-Ni NMC

3% 7% Mid-Ni NCA 10% NMC Low-Ni NMC 19%

LMO 13%

LCO 25%

LFP 22%

Mid-Ni NMC 18% 13% Low-Ni NMC

LTO 1%

2016 г. никельсодержащие — 39%

High-Ni NMC 18%

NCA 9% LMO 12%

LCO 15%

LTO 1%

LFP 14%

2025 г. никельсодержащие — 58%

NMC: Никель-марганец-кобальт NCA: Никель-кобальт-алюминий LFP: Литий-железо-фосфатные LCO: Литий-кобальт-оксидные LMO: Литий-марганец-оксидные LTO: Литий-титанатные High-Ni: с высоким содержанием никеля Mid-Ni: со средним содержанием никеля Low-Ni: с низким содержанием никеля

ИСТОЧНИК  КОМПАНИЯ: ROSKILL

Художественное оформление: компания Constructive Communications

Сейчас доля электромобилей в мировом производстве автомобилей невелика, но она растёт. Хотя прогнозы роста производства электромобилей и разнятся, все они сходятся в том, что этот рост стабилен. В настоящее время доля электромобилей на дорогах ниже одного процента. По последним оценкам, к 2025 г. она возрастёт до 7-11%, и многие из этих транспортных средств будут приводиться в действие никельсодержащими литий-ионными батареями. Новой никельсодержащей аккумуляторной технологии также предстоит сыграть свою роль в системах хранениях энергии, соединённых с объектами возобновляемой энергетики. Ветровые турбины или солнечные электропанели вырабатывают энергию при наличии ветра или солнца, а аккумуляторные технологии позволяют сохранять энергию для дальнейшего использования по мере необходимости. После того, как годами об этой технологии говорили как о перспективной для будущего электрических систем, ею занялись ведущие компании мира, такие как Nissan и Tesla. В начале 2015 г. Tesla объявила о своём выходе на рынок создания запасов энергии с литий-ионной батареей с катодом из никелевого сплава. В этом выпуске мы рассматриваем прошлое, настоящее и будущее аккумуляторной технологии и роль в ней никеля. Это очень обширная тема, поэтому ей будет посвящена бόльшая часть всего этого номера журнала. Картина неоднозначна. Разные приложения требуют разных технологий, и единственной технологии-победителя здесь никогда не будет. Никель используется в батареях уже более столетия, и в обозримом будущем он будет продолжать играть важную роль в этом стремительно развивающемся секторе. Клэр Ричардсон Редактор журнала «Никель»Клэр Ричардсон

В ФОКУСЕ НИКЕЛЬ 

ИЛЛЮСТРАЦИИ ИЗ «ВИКИМЕДИЯ КОММОНС», ЕСЛИ НЕ УКАЗАНО ИНОЕ КОМПАНИЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ БРИТАННИКА ИНКОРПОРЕЙТЕД (© 2017 ENCYCLOPÆDIA BRITANNICA, INC.)

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ: v 1748 Бенджамин Франклин использует термин «аккумуляторная батарея» — США

1799 w Первая аккумуляторная батарея постоянного тока — вольтов столб Алессандро Вольта — Италия

О v 1859 Первая перезаряжаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея Гастон Планте — Франция

1899 w Первые никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторные батареи Вальдемар Юнгнер — Швеция

v 1959 Первые щелочные аккумуляторные батареи Льюис Урри — Канада

1967 w

v 1980 Литий-ионная аккумуляторная батарея катод из оксида кобальта — США

2014 w

т свинцово-кислотных до литий-ионных, аккумуляторные батареи за последние пятьдесят с небольшим лет претерпели значительные изменения. В прежние времена аккумуляторы находили ограниченное применение: их использовали, чтобы заводить автомобили, приводить в действие игрушки, а также в дистанционных пультах управления и карманных фонариках. Для машин с бензиновым двигателем давно были выбраны свинцово-кислотные батареи, тогда как обычные щелочные батарейки работали в бытовых приборах. Затем на свет появились перезаряжаемые аккумуляторы на основе никеля: никель-кадмиевые (NiCd) и более долговечные никель-металл-гидридные (NiMH). Они преобразили наш стиль работы и жизни, подзаряжая инструменты с электрическим приводом и первые цифровые фотоаппараты. Затем в середине девяностых никель-металл-гидридные аккумуляторы «рванули» на транспорт в качестве базовой технологии Toyota Prius. Это навсегда изменило автотранспортную технологию и привело к нынешним электромобилям. Однако их удельной мощности было ещё недостаточно для обеспечения всего того, что ожидают потребители от машин, инструментов, фото- и видеокамер, других новых приборов и технологий. Появление литий-ионных аккумуляторов Поэтому в 1991 г. на сцену в промышленных масштабах вышли литий-ионные аккумуляторы (в большинстве версий которых содержится никель). Они проложили себе путь в первые видеокамеры и, в конечном счёте, в наши смартфоны, лэптопы и прочие используемые сегодня портативные устройства. Литий-ионные аккумуляторы также применялись в следующем поколении автомобилей, поскольку их превосходящая удельная мощность стала критически важна для обеспечения передвижения транспортного средства на большие расстояния.

Всего за полвека мы совершили переход от времени, когда аккумуляторные батареи были в основном второстепенными приборами в нашей жизни, до времени, когда они стали сопровождать нас в течение всего дня — в карманах, в сумках, а некоторые граждане в буквальном смысле носят их внутри себя в электрокардиостимуляторах. В зале аэропорта оглядитесь вокруг, обратите внимание на пассажиров, постоянно снующих взад-вперёд в поисках розеток питания — и вы поймёте, как важны аккумуляторы в нашей повседневной жизни.

Никель-металл-гидридная аккумуляторная батарея (NiMH) изобретена в Бателле-Женева — Швейцария

Литий-ионная твердотельная аккумуляторная батарея — США

И СЕГОДНЯ ХОРОШИ, НО ЗАВТРА БУДУТ ЕЩЁ ЛУЧШЕ

Отличная перспектива для никеля на ближайшее будущее Это относится ко многим технологиям: чем больше мы ими пользуемся, тем совершеннее мы желаем их видеть. Аккумуляторные батареи не составляют исключения. Мы хотим, чтобы зарядка в наших мобильных телефонах и лэптопах сутками не заканчивалась. Мы хотим, чтобы электромобили ездили на те же расстояния, что и машины с топливным баком (да, мы к тому же хотим тратить не более десяти минут на их подзарядку). А еще мы всё чаще хотим, чтобы аккумуляторные батареи поддерживали функционирование наших крупных и комплексных сетей электропередач. Мы желаем обзавестись более лёгкими, мощными и быстрозарядными аккумуляторными батареями с более высокой плотностью заряда. Возникает вопрос: как этого достичь? Будет ли это связано с постоянным усовершенствованием существующих технологий? А может, за углом нас ждёт нечто принципиально новое, и если это так, то как скоро мы это получим? Чем дальше, тем туманнее Давайте сначала рассмотрим, как совершенствуется существующий химический состав литий-ионного аккумулятора. Одной из тенденций является

4 НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА «НИКЕЛЬ», Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

переход на катоды на основе шпинели никель-марганец-кобальт, предлагающие бόльшую удельную энергоёмкость при более низких ценах на поставленную энергию. Существует также тенденция к переходу на суперэнергоёмкие аккумуляторы системы литий-воздух (здесь патентами владеет компания Tesla, но и другие исследователи тоже значительно продвинулись в этой области). В то же время стоимость литий-ионных батарей продолжает заметно снижаться по мере роста эффективности каналов поставок (и росту усилий Китая по созданию крупных производственных мощностей). Многие наблюдатели прогнозируют падение цен в течение ближайших лет аж до 50%.

химический состав такими способами, которые были невозможны ещё несколько лет назад. Высокоскоростная обработка данных на суперкомпьютере позволяет осуществлять более квадрильона (10 в 15 степени) вычислений в секунду, соединять разные элементы в виртуальной реальности в химические вещества и быстро видеть их возможные эксплуатационные качества. Проводят ли они свет и электричество? Пластичны они или хрупки? Виртуальные химические соединения можно превратить в реальные и подвергнуть дальнейшему тестированию в реальном мире. Сейчас исследователи думают, что они могут вдвое сократить время, требуемое на выведение продукта на рынок.

А далее перспектива становится туманной: как насчёт следующего поколения литиевых «гейм-ченджеров» (букв. меняющих «правила игры»)? Откуда они появятся, если вообще появятся? И когда это может произойти? Одним из возможных кандидатов является твердотельная аккумуляторная батарея — более безопасная, обладает более высокой плотностью заряда (двукратное увеличение энергии при тех же размерах), более долговечная, но на сегодня значительно более дорогая. Эти аккумуляторы, скорее всего, должны будут захватить определённые позиции в каких-нибудь приборах, прежде чем достигнут таких масштабов производства, которые облегчат снижение цен. Вероятно, до вашего смартфона им ещё добираться года четыре или пять.

Улучшенные аккумуляторные технологии Ожидается, что за ближайшие пять лет суперкомпьютеры начнут осуществлять расчеты типа «что было бы, если», то есть моделировать возможные результаты при различных сценариях развития событий, демонстрируя тем самым построение логических рассуждений, подобное человеческому. Как отмечает Департамент энергетики США в своём обзоре научных исследований и технологий, «это комбинация физической теории, передового компьютерного моделирования и обширных баз данных о свойствах материалов для ускорения разработки новых материалов с ориентированными на конкретное применение свойствами путём оптимизации состава и обработки для получения необходимых структуры и свойств».

Другим кандидатом является аккумуляторная батарея системы литийсера благодаря четырехкратному увеличению её ёмкости по сравнению с литий-ионными и более низкой стоимости материалов. Здесь все ещё предстоит решить значительные технические вопросы и проблемы безопасности, хотя работа прогрессирует. Процесс модернизации батарей ускорится В долгосрочной перспективе аккумуляторная технология всецело связана с материаловедением. Суть её состоит в комбинировании различных элементов периодической системы для проверки их эксплуатационных характеристик. Сегодня мы можем исследовать

Это обещает придать ещё большее ускорение процессу выведения на рынок новых аккумуляторных технологий. Скорее всего, в течение ближайшего десятилетия мы сможем увидеть значительно улучшенные аккумуляторные технологии — технологии, суть которых нам пока ещё не ясна. В последние десятилетия никель играл ключевую роль в поддержке нашей жизни, тесно связанной с аккумуляторными батареями. Будет он это делать и в обозримом будущем.

Важная роль никеля в технологии перезаряжаемых аккумуляторных батарей Электрическая аккумуляторная батарея — это устройство, состоящее из одного или нескольких электрохимических элементов, содержащих два электрода — анод и катод — и электролит. Когда два электрода связаны Механизм разрядки литий-ионной (литий-никель-марганец-кобальт оксид — NMC) перезаряжаемой батареи

СЛОИСТЫЙ ГРАФИТ (АНОД)

электроны

электрический ток

Li+

Li+

Li+ Li+

Li+

Li+ Li+ Li+ Li+

Li+

Li+ Li+ электролит

LiCC+Li++ e-

Li++MO2 + e-LiMO2

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

ОКСИД МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТИЯ (КАТОД)



токопроводом, возникает поток электронов. Когда батарея отдаёт электроэнергию, анод является источником электронов, которые при подсоединении к внешней цепи начинают течь и поставлять электроэнергию внешнему устройству. Электролиты распадаются на ионы, способные двигаться внутри батареи; в результате химические реакции локализуются на отдельных электродах, поставляя при этом высвобождающуюся энергию на внешний контур. Именно движение ионов внутри аккумуляторной батареи Тип аккумуляторной батареи

Катод

позволяет электрическому току вытекать из батареи, обеспечивая этим подачу энергии. В зависимости от того, можно ли восстановить электроды и тем самым перезарядить аккумулятор, батареи подразделяются на два вида. Это первичные (разового пользования) и вторичные (перезаряжаемые) батареи. Вторичные (перезаряжаемые) батареи поставляются во многих разновидностях — таких как всем известная свинцово-кислотная батарея, которая встречается в автомобилях, никель-кадмиевая (NiCd), никель-металл-гидридная (NiMH) и литий-ионная (Li-ion). Никель — существенный составной элемент катода многих типов вторичных батарей, в том числе литий-ионных, как показано на нижеприведённой таблице. Анод

Электролит

Щелочная (П)

Двуокись марганца (MnO2)

Цинк

Водный щелочной раствор

Свинцово-кислотная (В)

Двуокись свинца (PbO2)

Свинец

Серная кислота

Кадмий

Гидроксид калия

Сплав, поглощающий водород

Гидроксид калия

На углеродной основе. Как правило, это графит

Соль лития в органическом растворителе

Никель-кадмиевая (NiCd) (В) Никель-металл-гидридная (NiMH) (В)

Метагидроксид никеля (NiOOH)

Литий-ионная (LCO) (В)

Литий оксид кобальта (LiCoO2)

Литий-ионная (NMC) (В)

Литий-никель-марганецкобальт-оксид (LiNiMnCoO2)

Литий-ионная (NCA) (В)

Литий-никель-кобальталюминий-оксид (LiNiCoAlO2)

(П) = первичная, (В) = вторичная

НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА 

ISTOCKPHOTO.CAOM © PETMAL ФОТОГРАФИИ ISTOCKPHOTO.COM © 4XIMAGE

ФОТОГРАФИИ TESLA.COM

БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НИЗКОУГЛЕРОДНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ МИРА

 НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

Рынок аккумуляторных батарей для электросетей всего мира стоит на пороге взрывного роста Л

итий-ионные аккумуляторные батареи, во многих из которых используется никель, будут играть важную роль в поддержке электросетей в повсеместном движении за более дешёвую и чистую энергетику. Это движение в основном обязано значительному росту источников возобновляемой энергии, в первую очередь ветровой и солнечной. В США за последние три года ветровая и солнечная энергетика составила более половины новых генерирующих мощностей электростанций. Азия и Европа уже инвестировали миллиарды в возобновляемые источники энергии и скоро создадут устойчивую энергетическую систему стоимостью в триллион долларов.

общей ёмкостью 35000 МВт·ч. Одна эта фабрика изготовит такое количество батарей, которое будет эквивалентно всем литий-ионным аккумуляторам, произведённым во всём мире всего лишь четыре года назад. Около трети всей произведённой компанией Tesla продукции будет предназначено для сетевого накопления энергии.

Хорошая перспектива для никеля Это обещает высокий спрос на никель на многие годы вперёд. Мировые поставщики катодного материала для литий-ионных батарей наращивают объёмы выпуска батарей типа NMC (никель-марганец-кобальт с обычным соотношением каждого элемента — 33%). Большое количество этой продукции пойдёт на электромобили, но также и на стационарное сетевое накопление энергии. В сетевом

Каково будущее? Последние данные Ассоциации хранения энергии (Energy Storage Association) показали, что мощности хранения энергии быстро растут. В 2016 г. общее число систем хранения энергии в США практически выросло втрое. И это лишь начало. Ожидается, что в США в 2017 г. количество аккумуляторных батарей-накопителей вырастет ещё почти на 50%. Три комплекса, установленные в Калифорнии в январе этого года (все литий-ионные и содержащие никель), составили 15% всех систем хранения энергии, установленных в США в прошлом году. Другие страны тоже предпринимают довольно быстрые шаги по внедрению стационарных аккумуляторных батарей — литий-ионных — в свои энергосистемы. Например, в целях повышения стабильности электросетей Корейская электротехническая корпорация (Korea Electric Power Corporation) планирует использование батарей типа NMC (никель-марганец-кобальт) мощностью 500 мВт для устройства накопителей с высокими кинетическими характеристиками. Япония также недавно вложила сотни миллионов долларов в проекты хранения энергии для своих электросетей. Крупные производства делают литий-ионную технологию доминирующей Это результат как долгой истории существования литий-ионных батарей на рынке бытовой электронной техники, так и недавних масштабных инвестиций в производство литий-ионных аккумуляторов — многие из этих инвестиций направлены на поддержку электромобильной промышленности. Ожидается, что знаменитая «Гигафабрика» компании Tesla в Неваде, например, к 2018 г. будет производить аккумуляторные батареи

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

WWW.TESLA.COM

Проблема состоит в том, что и ветер дует не всегда, и не всегда светит солнце. Вот почему для стабилизации нашей сложной и разветвлённой энергетической инфраструктуры используют аккумуляторные батареи.

 Целью передовых решений компании Tesla в области микросетей является содействие созданию гибкой самонастраивающейся энергосистемы с помощью принадлежащей Tesla технологии накопления и хранения энергии. Однако Tesla не единственная компания и даже, может быть, не самая большая из производителей литий-ионных элементов. Китай рулит Китай будет направлять мировую экономику за счёт снижения цен и роста спроса. Траектория роста сетевого накопления энергии в аккумуляторных батареях будет очень крутой. Китай уже владеет львиной долей его мирового производства. Если Китай сможет сделать с батареями то, что он уже сделал с солнечными модулями, его доминирование на рынке будет вполне достижимо. Продвигая электромобили, эта страна стимулирует спрос на литий-ионные батареи, что приведёт к созданию крупных производств. Некоторые аналитики ожидают, что в следующем году выросшая эффективность объёмов производства и канала поставок снизит расходы не меньше, чем на 40%. Самая большая китайская компания в этом секторе промышленности, Amperex Technology, за последний год утроила производство литий-ионных батарей и опередила одного из мировых лидеров компанию LG Chem. Нынешний уровень производства компании — около 8 тыс. МВт·ч (или 8 ГВт·ч), но к 2020 г. она планирует довести его до 50 ГВт·ч (то есть в полтора раза больше компании Tesla).

накоплении быстро наращивает обороты технология NMC, обгоняя конкурирующие технологии на основе лития, такие как литий-железо-фосфатные, и становясь приоритетной для разработчиков. Мир возможностей Стационарное сетевое накопление энергии всё ещё находится на этапе раннего развития, и прогнозы относительно объёма рынка очень разнятся. В обозримом будущем электротранспортные средства станут стимуляторами нового спроса на литий-ионные аккумуляторные батареи и содержащийся в них никель. В ближайшем будущем роль стационарного накопления энергии будет довольно значительной по мере падения стоимости батарей и совершенствования бизнес-моделей их производства. По всей видимости, стационарное накопление дополнит миллионы солнечных батарей, уже установленных на жилых домах. Если же говорить об электросетях, ведущие электрические компании, занимающиеся накоплением энергии, такие как AES Energy Storage, уже считают литий-ионные накопители конкурентоспособными по отношению к новым генераторным станциям, производящим электроэнергию в часы максимальной сетевой нагрузки, и видят их как существенную составляющую будущей архитектуры всемирной энергосистемы. Ясно то, что никель будет играть существенную роль в низкоуглеродной энергосистеме будущего.

НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА 

Регулирование спроса на электроэнергию и базе аккумуляторных батарей как инструме С

прос на энергию постоянно растёт и на национальном уровне, и на уровне городов и населённых пунктов, и в отдельно взятых семьях. Традиционно способ удовлетворения этого спроса состоял в увеличении производства электроэнергии, то есть в увеличении предложения. Однако в последнее время фокус начал перемещаться в сторону спроса, то есть на самих потребителей. Замысел — скорректировать спрос в момент пиковых нагрузок. Например, материально стимулировать потребителей использовать электричество во внепиковый период. Опережающими темпами развивается также и альтернативный подход — в ответ на выросший спрос предоставлять «местные» способы хранения энергии, произведённой в период малой загруженности, чтобы иметь возможность использовать её в периоды острой необходимости. При последнем подходе к управлению спросом на электроэнергию (Demand Side Response – DSR) пиковый спрос не уменьшается, но регулируется так, что энергия, запасённая в аккумуляторных батареях, многие из которых литий-ионные и никельсодержащие, становится доступной в критические периоды в течение дня. Преимущества регулирования спроса В национальных энергетических сетях автоматизированная система DSR может реагировать на повышение спроса быстрее, чем традиционные объекты, такие как тепловые электростанции и гидрогенераторы. Более того, поскольку она основана на технологии распределённых систем, в ней не существует единой точки отказа, единственного уязвимого звена. Увязанная с системами хранения энергии на базе аккумуляторных батарей, часто использующих литий-ионную технологию, DSR создаёт запасы энергии из возобновляемых источников для поддержания баланса между спросом и предложением во внепиковый период. Такое использование систем хранения энергии имеет особенно большое значение, потому что 21 ГВт (86%) мощности новых электростанций, построенных в ЕС в 2016 г., приходится на ветровые, солнечные и прочие возобновляемые источники, которые по своей природе работают с перерывами. Такое более эффективное использование возобновляемых источников энергии позволяет сократить выбросы углекислого газа. Единая энергосистема Великобритании — только один из поставщиков энергии, который всё больше инвестирует в эту комбинацию DSR и систем хранения энергии на базе аккумуляторных батарей. В результате последнего аукциона энергетических мощностей Великобритании порядка 500 мегаватт будет поставлено именно такими новыми проектами хранения энергии по мере продолжения перехода на выработку энергии ветровыми и солнечными электростанциями. Повышенная гибкость на общее благо Рост использования систем хранения энергии на базе аккумуляторных батарей не ограничивается национальными энергетическими сетями, поскольку существует ещё и значительная активность на промышленном и коммерческом рынках. Технологическая компания из Великобритании Open Energi поставляет технологии на основе DSR и систем хранения энергии.

ФОТОГРАФИИ: ISTOCKPHOTO.COM © 4XIMAGE

Говорит Дэвид Хилл, директор компании Open Energi: «Сочетание систем хранения энергии на базе аккумуляторных батарей, образно называемых системами «за электросчётчиком» (то есть, системами, установленными на территории клиента, на его стороне счётчика), и системы управления спросом — ключ к полному раскрытию потребительской гибкости. Это может продлить срок действия батарей путём снижения суммарно выделенной энергии. Это обеспечивает оптимизацию затрат во всех активах компаний и экономию на сокращении выбросов углекислого газа и способно трансформировать принцип работы нашей энергосистемы». По мере расширения использования DSR будет расти и спрос на никель, укрепляя эксплуатационную гибкость систем энергоснабжения во всём мире.

 НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

и установка систем хранения энергии на енты управления DSR В ДЕЙСТВИИ У

УНИВЕРСИТЕТ ГЕНУИ

СИСТЕМА ПОДСТАНЦИЙ NEXTERA / DEMOSS PETRIE

становка системы DSR, подсоединённой к системам хранения энергии, приводит к повышенной гибкости и надёжности энергосистемы и росту использования более чистых источников возобновляемой энергии. Приведённые здесь примеры из промышленной практики США и Италии показывают, как апробированные системы хранения энергии помогают достижению указанных целей.

 Система подстанций NextEra

Пример из практики — электростанция TEP/NextEra (литий-ионные батареи — NMC) Tucson Electric Power (TEP) — это энергогенерирующая компания, обеспечивающая электричеством более 400 тысяч клиентов в южной Аризоне. С целью улучшения отказоустойчивости местной электросети TEP в совместной работе с филиалом компании NextEra Energy Resources из Джуно-Бич, штат Флорида, установила литий-никель-марганец-кобальт-оксидную (NMC) систему хранения энергии. Теперь она помогает обеспечивать надёжный уровень обслуживания клиентов в периоды высокого спроса на энергию. Примечательным является тот факт, что TEP совместно с чикагской компанией IHI Energy Storage также участвует в двухгодичном научно-исследовательском проекте по изучению влияния эффективного использования систем хранения энергии на базе аккумуляторных батарей на увеличение надёжности поставок электричества в горячем и сухом климате Аризоны. Система NextEra использует батареи NMC, которые, как правило, содержат по одной трети соединений никеля, марганца и кобальта. У них длительный срок эксплуатации, и они годятся для подключения к микросети для накопления и хранения энергии во внепиковое время. Согласно Джо Барриосу (Joe Barrios), официальному представителю TEP, «компания искала экономически эффективные, проверенные системы хранения энергии, которые повысили бы надёжность сетей, дав при этом возможность изучить, как подобные этой инновационные технологии могли бы помочь TEP расширить использование возобновляемых источников энергии». Сегодня мощность портфеля возобновляемых источников энергии TEP составила около 530 мегаватт, что достаточно для снабжения энергией 110 тысяч домов в течение года.

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

 Для системы хранения энергии были выбраны аккумуляторные батареи с химическим составом натрий-никель компании FIAMM

Пример из практики — Siemens/FIAMM (батареи с химическим составом натрий-никель) В 2012 г. кампус Савона Университета Генуи решил перейти на более эффективный метод снабжения и управления энергией. В рамках проекта «Энергия 2020» (Energia 2020) университет решил установить «умную» систему управления энергией, основанную на технологии микросетей. Эта система помогает удовлетворить электрические и тепловые потребности кампуса при помощи выработки энергии на месте, снизив количество электроэнергии, закупаемой из внешней электросети. Цель проекта — поднять уровень использования возобновляемых источников энергии, свести к минимуму потребление энергии и снизить эмиссии CO2 и затраты кампуса на энергоносители. Возобновляемая энергия образуется в системе концентрированной солнечной энергии и фотоэлектрической станции. Микросеть вышла на стадию генерации энергии в 2014 г. Её установкой занималась компания Siemens. Согласно д-ру университета Мансуэто Росси (Dr. Mansueto Rossi), «батареи с химическим составом натрий-никель компании FIAMM были выбраны из-за системы хранения энергии, так как им не нужна сложная система охлаждения. Они невероятно устойчивы к неблагоприятным климатическим условиям и идеальны для зарядки в течение дня и разрядки в пиковый период».

НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА 

ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В БУРНО РАЗВИВАЮЩЕЙСЯ ОТРАСЛИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С ростом спроса наращиваются объёмы производства аккумуляторных батарей во всём мире

С

ейчас крупные инвестиции вкладываются в научные исследования и новые предприятия сектора производства литий-ионных аккумуляторных батарей, непосредственно связанного с развитием электротранспортных средств (EV). В результате сменились доминирующие химические составы батарей. В гибридных электромобилях (HEV), как правило, используются никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи, тогда как подзаряжаемые от электросети гибридные электромобили (PHEV) и электромобили, работающие на аккумуляторных источниках питания (BEV), используют литий-ионные батареи из-за их более высокой энергетической плотности и прочих более эффективных свойств.

Важными катодными материалами литий-ионных батарей являются сплавы никель-марганец-кобальт (NMC) и никель-кобальт-алюминий (NCA). Они содержат 33-80% соединений никеля. NMC используется в ряде электронных устройств и в электромобилях. NCA используется в элементах 18650 Panasonic в машинах Tesla, а в других электротранспортных средствах — в виде комбинации с литий-оксид-марганцем (LMO). Другими базовыми катодными материалами являются LiCoO2, LiMn2O4 и LiMPO4. Новые процессы вторичной переработки Однако в зависимости от состава катода и процесса вторичной переработки ценность извлечённых аккумуляторных материалов будет разниться. В большинстве имеющихся сегодня катодов литий-ионных батарей

 НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА

содержатся оксиды кобальта, и извлечение из них элементарного кобальта является экономическим стимулом этого процесса. Батареи с более низким содержанием кобальта, такие как те, что сегодня производятся для транспортных средств, менее привлекательны для вторичной переработки существующими в настоящее время методами. Сейчас разрабатываются более современные процессы вторичной переработки, возвращающие в промышленный оборот активные катодные материалы (в том числе и содержащийся в них литий), которые можно было бы повторно использовать в батареях и стоимость которых много выше стоимости их составных элементов. Обеспечение качества извлекаемых материалов является при этом острой необходимостью. Параллельно с технологическим прогрессом меняется и ужесточается нормативно-правовое регулирование аккумуляторной промышленности. В настоящее время пересматривается Директива Европейского Парламента о батареях и аккумуляторах, которая предусматривает обязательность их вторичной переработки и утилизации. Китай недавно ввёл нормативно-правовые акты, которые возлагают на автомобилестроителей ответственность за вторичную переработку автомобильных аккумуляторных батарей. В настоящее время гармонизированного регулирования вторичной переработки и утилизации аккумуляторных батарей в США не существует, а действуют нормы на уровне штатов. Можно ожидать появления новых законодательных актов в этой сфере по всему миру. По ряду оценок, из-за существующих проблем в системах сбора вторсырья только лишь 10% пришедших в негодность литий-ионных батарей попадают сейчас в пункты сбора вторсырья и подвергаются в результате вторичной переработке. Большинство этих батарей снимается с различных переносных электронных устройств. Другими собираемыми и утилизируемыми в настоящее время батареями являются никель-металл-гидридные аккумуляторы, в том числе снимаемые с гибридного электротранспорта, которые содержат 23% никеля, 4% кобальта, 7% редкоземельных металлов, 36% стали, 18% пластика, 9% электролитов, 2% прочих металлов и 1% политетрафлуороэтилена (PTFE). Toyota Prius — вне всякого сомнения, самый продаваемый в мире гибридный электромобиль. Его производитель верен

никель-металл-гидридной батарее, которая считается уже апробированной и надёжной аккумуляторной технологией. Исходя из уровня мировых ежегодных продаж гибридных автомобилей за последние пять лет — 1,51,8 млн. — и десятилетнего срока эксплуатации никель-металл-гидридных автомобильных батарей, всё большее количество этих батарей будет нуждаться в утилизации и вторичной переработке. Китай Мировые продажи подзаряжаемых от электросети гибридных электромобилей (PHEV) достигли 250 тыс. единиц, причём китайский рынок лидирует (29%) из-за введённых там мер стимулирования спроса. Эти же стимулы сделали Китай и ведущим рынком электромобилей. В 2016 г. было продано около 500 тысяч электромобилей, 55% которых — в Китае. Ожидается, что в ближайшие пять лет уровень продаж в этой промышленности взлетит, что, в свою очередь, предполагает, что в последующее десятилетие компании по вторичной переработке и утилизации аккумуляторов станут пропускать через себя всё бóльшие объёмы литий-ионных батарей.

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

ФОТОГРАФИИ ISTOCKPHOTO.COM © BET_NOIRE

Готовясь к будущему Как только популярность подзаряжаемых гибридных автомобилей (PHEV) и электромобилей (EV) на рынке товаров массового спроса вырастет, их влияние на отрасль вторичной переработки батарей станет весьма значительным. В настоящее время компании, занимающиеся вторичной переработкой батарей, инвестируют в расширение производства и готовятся удовлетворить будущие потребности путём использования куда более масштабных утилизационных установок, способных перерабатывать литий-ионные батареи, используемые в этих типах транспортных средств. Когда эксплуатационные характеристики аккумулятора опускаются ниже допустимых уровней, и аккумулятор становится непригодным для транспортного средства, он всё же может ещё годиться для вторичного использования — хранения энергии на электростанциях. Со временем его потребительские качества станут недостаточными, и такой аккумулятор надо будет выбросить. Утилизация аккумуляторных батарей необходима по экологическим соображениям, но также и из-за содержащихся в батарее ценных материалов, которые можно пустить во вторичный оборот. Экономический стимул утилизации батарей — это стоимость оксидов металлического лития, используемых в катодах этих батарей вместе с кобальтом, никелем и марганцем в разных комбинациях, а также феррофосфатами. Составными частями структуры элементов батареи также являются медь, алюминий и сталь. Свойства батареи различаются в зависимости от материала катода, и вариаций его химического состава существует множество.

ЛИДЕР В ОБЛАСТИ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

 Предприятие компании Umicore по извлечению драгоценных металлов в г. Хобокене, Бельгия. Umicore — одна из крупнейших в мире компаний по вторичной переработке драгоценных металлов.

Б

лагодаря своему безотходному и замкнутому процессу вторичной переработки аккумуляторных батарей, получившему международное признание, бельгийская компания Umicore Battery Recycling (UBR) стала лидером в области вторичной переработки никель-металл-гидридных и литий-ионных аккумуляторных батарей. Сочетая уникальную пирометаллургическую обработку и ультрасовременный гидрометаллургический процесс, UBR может самым экологически чистым способом перерабатывать литий-ионные и никель-металл-гидридные батареи всех видов и размеров. На пирометаллургической фазе компании Umicore происходит переработка батарей с выделением трёх фракций: • сплав, содержащий ценные металлы — кобальт, никель и медь; • шлак, используемый в строительной промышленности. Из шлака, полученного из литий-ионных батарей, можно дополнительно извлечь литий. Шлак из никель-металл-гидридных батарей перерабатывается в концентрат редкоземельных металлов, который в дальнейшем дополнительно рафинируется совместно с компанией Solvay; • чистый воздух, выпускаемый вентиляционными трубами после того, как выводные газы прошли обработку в уникальном процессе газоочистки при сверхвысоких температурах (Ultra High Temperature — UHT). На пирометаллургическом этапе применяется технология UHT компании Umicore. Эта технология устанавливает новые технологические границы вторичной переработки и знаменует собой новую норму ЕС в области «Наилучшая из имеющихся технологий» (Best Available Technology) для процессов металлургической вторичной переработки. Она разработана с целью безопасной переработки больших объёмов смеси разного рода отходов, содержащих металлы, и следующим образом отличается от других технологий вторичной переработки: • Более высоким уровнем извлечения металлов в сравнении с существующими процессами и выходом товарной продукции, тотчас готовой к продаже.

• Прямой загрузкой в печи утилизируемых аккумуляторных батарей, что исключает необходимость любой потенциально опасной предварительной их обработки.

• Газоочистной системой, гарантирующей, что все органические вещества полностью разложились, и не производятся ни вредоносные диоксины, ни летучие органические вещества (volatile organic compounds – VOCs). Флюорин надёжно захватывается колошниковой пылью.

• Снижением потребления энергии и снижением эмиссий СО2 до минимального уровня благодаря использованию энергии, сохранившейся внутри деталей батарей (электролит, пластмассы и металлы).

• Уровнем производимых отходов, не подлежащих утилизации, который приближается к нулю. В рамках последующего гидрометаллургического процесса сплав подвергается дальнейшему рафинированию, чтобы можно было конвертировать извлекаемые металлы в активные катодные материалы для производства новых перезаряжаемых аккумуляторных батарей. Компания Umicore уже давно является ведущим поставщиком основных материалов для перезаряжаемых аккумуляторов, используемых в портативном электронном оборудовании, а также в гибридных автомобилях и электромобилях.

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

WIKIMEDIA COMMONS

КОМПАНИЯ UMICORE BATTERY RECYCLING

Печь UHT в г. Хобокене, проектная мощность которой 7 тыс. метрических тонн в год, — одна из самых больших в мире специализированных установок переработки литий-ионных и никель-металл-гидридных батарей. 7000 т = ± 250,000,000 батареек для мобильных телефонов ± 2,000,000 аккумуляторов для электромопедов ± 35,000 аккумуляторов для электромобилей

ПРОДАЖИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА МИРОВОМ РЫНКЕ В 2016 г. общий объём продаж аккумуляторных батарей в мире достиг 65 миллиардов долларов США, при этом с 1990 г. по 2016 г. среднегодовой прирост составлял 5%. Ещё одним показателем существенного роста этой отрасли промышленности стал рост использования активных катодных материалов с 6900 тонн в 2000 г. до 178 тыс. тонн в 2016 г. Стимулирует это развитие устойчивый спрос на разного вида продукцию, использующую аккумуляторные батареи, такую как портативные электронные устройства, мобильные телефоны, электромопеды, электроинструменты, электроавтобусы и т.п. За период с 2006 г. по 2016 г. объём продаж литий-ионных аккумуляторных батарей ежегодно рос на 22%. За период с 2016 г. по 2025 г. компания Avicenne Energy прогнозирует совокупный среднегодовой рост продаж литий-ионных батарей в размере 13% в год.

НИКЕЛЬ. ТЕМА ВЫПУСКА 

Аккумуляторные батареи улучшают качество воздуха в рудниках Аккумуляторные технологии следующего поколения на основе никеля и их потенциал в разработках подземных месторождений

В

настояшее время на долю вентиляции приходится около 50% совокупных расходов на энергетические нужды рудников. Производители стремятся опуститься всё ниже, но при этом сохранить экономическую эффективность и в то же время устранить из подземной рабочей среды мелкие дизельные аэрозольные частицы. Свяжите эти цели с плановыми показателями использования экологически чистой энергии — и станет ясно, что существует множество побудительных мотивов для внедрения транспортных средств на электротяге, спроектированных для работы под землёй. «Источник нашего интереса двоякий, — говорит Джани Вилениус (Jani Vilenius), директор по развитию научных исследований и технологий компании PA Rock Drills and Technologies, принадлежащей группе Sandvik Mining and Rock Technology, одному из первых головных разработчиков и изготовителей оборудования, внедривших буровые установки на аккумуляторных батареях. — В других отраслях технология, основанная на использовании аккумуляторных батарей, применяется гораздо шире, и по этой причине возникает вопрос о её применении и в горном деле, что движет технический прогресс.

• Литий-ионные — подкатегория, в которую входят литий-железо-фосфатные (LiFePO4 - LFP), литий-титанатные (Li4Ti5O12 LTO) и литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (LiNiMnCoO2 - NMC) У каждого вида есть свои сильные и слабые стороны в зависимости от конкретного применения. Традиционно в горном деле долго использовались свинцово-кислотные батареи, в основном при работе с мягкой породой, такой как каменный уголь, соль и калийные руды. Однако их широкое применение приостановилось из-за больших габаритов и веса, ограниченных энергоёмкости и мощности, низкого ресурса жизненного цикла батарей и сомнительной безопасности. Многие современные аккумуляторные технологии сейчас всё еще проходят опытные испытания, но есть и такие, которые уже действуют в этой отрасли промышленности, и рыночный интерес к ним растёт. В это число входят разные литий-ионные (Li-ion) рецептуры и натрий-никель-хлоридная технология. Литий-ионные технологии включают в себя несколько вариантов химических составов. Самыми предпочтительными

«Быстро перезаряжаемые батареи LTO подходят для погрузчиков и буксирных транспортных средств, поскольку они дают возможность скорой перезарядки, обладают хорошим ресурсом жизненного цикла и превосходной искробезопасностью, — объясняет г-н Вилениус. — Натрий-никельхлоридные батареи, похоже, тоже подходят для использования в горном деле благодаря их высокому уровню безопасности и высокой удельной энергии на единицу объёма, достаточным эксплуатационным диапазонам и продолжительности эксплуатации». В 2015 г. американская компания-производитель горной техники MacLean Engineering, приступила к реализации программы электрификации парка оборудования на основе аккумуляторной технологии NMC. В 2016 г. предпринятое усилие увенчалось тремя готовыми продуктами — двумя комбайнами Bolter для подземных работ, приводимыми в действие аккумуляторными батареями, и одним мобильным автокраном, работающим на аккумуляторах. Энтони Гриффитс (Anthony Griffiths), руководитель производства компании MacLean, объясняет: «Выбранный для электрооснащения нашего парка химический состав NMC  Автокран на электроприводе компании MacLean Engineering, EV BT3 Boom Truck, использует аккумуляторную технологию NMC

Что доступно уже сейчас? Аккумуляторы того или иного вида или дизайна использовались в горном деле десятилетиями. Однако совершенствование химического состава и связанных с этой областью технологий, таких как технологии двигателей постоянного тока и аккумуляторные технологии, привело к появлению батарей, которые лучше подходят для работы в подземных условиях. В настоящее время используются три вида батарей: • Свинцово-кислотные

 НИКЕЛЬ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

СТЮАРТ ЛИСТЕР STUART LISTER

ФОТОГРАФИИ ISTOCKPHOTO.COM © GKUNA

С другой стороны, в будущем условия работы в шахтах будут еще сложнее, чем сейчас, тем самым создавая потребность в более «зелёных» и более эффективных технологиях. За последние годы увеличились объёмы производства аккумуляторных элементов, готовых для использования в автомобильной промышленности и в промышленных секторах, работающих на основе природосберегающей возобновляемой энергетики. Мы в горнорудной промышленности признаём, что улучшенная рабочая среда с воздухом лучшего качества плюс применение новых аккумуляторных технологий могут способствовать росту производительности подземного хозяйства, создавая новый тип ведения горных работ».

• Натрий-никель-хлоридные

применительно к горному делу являются LTO, LFP и NMC.

 Caterpillar’s first battery-powered machine, the R1300G (LHD) is currently undergoing trials at a Caterpillar proving ground.

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

КОМПАНИЯ SANDVIK

For applications needing lower power and higher energy-capacity-per-volume, sodium nickel chemistry is used.

легко удвоил, а в некоторых случаях и утроил общий срок службы и количество зарядных циклов по сравнению с тем, что могут дать свинцово-кислотные батареи».

ДЖЕЙМС ХОДГИНС JAMES HODGINS, ПРОМЫШЛЕННЫЙ ФОТОГРАФ, СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ  РУДНИКИ

В данный момент группа Sandvik Mining использует две аккумуляторные технологии. «Сегодня не существует одной технологии, способной удовлетворить потребности разных областей применения, поэтому области применения должны обуславливать выбор технологии, — говорит г-н Вилениус. — Однако безопасность остаётся нашим главным критерием выбора. В тех областях применения, которым нужна мощность поменьше, но необходима более высокая энергетическая ёмкость на единицу объёма, используется состав натрий-никель. Там, где  Комбайн на электроприводе EV 975 Omnia Bolter компании MacLean Engineering

нужна высокая мощность, используется состав LTO». Г-н Вилениус признаёт, что существует постоянная потребность в батареях с повышенной энергоёмкостью, но в ближайшем будущем многообещающих прорывных решений не предвидится. «Выбор аккумуляторной технологии — вопрос, основывающийся на многих параметрах, затрагивающих как технические, так и финансовые аспекты, — говорит он. — Если бы выбор пал на некоторые из нынешних высокоэнергетических альтернатив, такие полезные качества, как безопасность, были бы поставлены под угрозу». Что в перспективе? В настоящее время значительная часть оборудования подземных рудников работает на дизельном топливе. Однако каждое крупное горнодобывающее предприятие мира оценивает возможности использования машин с

 Буровая установка DD422iE группы Sandvik Mining электроприводом. Некоторые уже осуществляют проекты внедрения электрооборудования на аккумуляторных батареях в крупномасштабные технологические операции, что поможет завоевать более широкое признание рынка. «Руководители горных предприятий говорят нам, что понимают — промышленность уходит от дизельного оборудования и развивается в сторону использования под землёй оборудования с нулевым уровнем выбросов, — говорит Майк Касаба (Mike Kasaba) из компании Artisan Vehicle Systems, производящей оборудование и транспортные средства для работы в шахтах. — Переломным моментом для всей отрасли станут заявления об успехах крупномасштабных внедрений, которые не заставят себя долго ждать. Мы верим, что к 2020 г. все задания на проектирование для подземных работ будут оговаривать только оборудование с нулевым уровнем выбросов, и вскоре после этого всё остающееся оборудование, работающее на дизельном топливе, будет снято с эксплуатации». Эта статья является кратким изложением материала «Продвигая подземные горные работы в будущее» автора Карли Леониды (“Propelling UG mining into tomorrow” by Carly Leonida), опубликованного в журнале «Горное дело» (Mining Magazine), вып. январьфевраль 2017 г.

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

НИКЕЛЬ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ 

КОГДА НЕ СВЕТИТ СОЛНЦЕ Никель — недорогое решение проблемы хранения солнечной энергии ства водорода дали многообещающие результаты в лабораторных условиях, но они всё ещё слишком нестабильны или дороги и нуждаются в дальнейшем развитии для коммерческого или крупномасштабного использования.

К счастью, учёные Федеральной политехнической школы в Лозанне (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) и Швейцарского центра электроники и микротехнологии (Swiss Center for Electronics and Microtechnology) уже разработали устройство, которое превзошло все существующие по

стабильности, эффективности и стоимости, используя при этом имеющиеся на рынке фотоэлементы и не употребляя ни один из традиционных редких металлов. Применённый исследователями подход к созданию надёжной системы состоял в объединении компонентов, которые уже доказали свою эффективность в данной области. Опытный образец представляет собой три взаимосвязанных фотоэлемента нового поколения из кристаллического кремния, подсоединённых к электролизной системе, не использующей редкие металлы. Для электрохимической части процесса требуется катализатор, выполненный из никеля, который широкодоступен и намного дешевле редких металлов. Водород, который доведёт дело до конца Это устройство преобразует солнечную энергию в водород и на данный момент уже проработало без перерыва более 100 часов в тестовом режиме. Статья с описанием метода, превзошедшего предыдущие попытки сделать преобразование солнечной энергии в водород более стабильным, производительным, долговечным и рентабельным, опубликована в «Журнале Электрохимического общества» (the Journal of The Electrochemical Society).

© INFINI LAB / 2016 EPF

ак запастись солнечной энергией на время, пока солнце не светит? К Нам известно, что солнечную энергию можно хранить, преобразовав её в водород. В чём же проблема? Современные технологии производ-

УНИВЕРСИТЕТ НЕВАДЫ

«Установленная в Швейцарии система, занимающая площадь 12 – 14 кв. м, позволила бы генерировать и хранить количество водорода, достаточное для питания автомобиля на топливных элементах, пробегающего 10 тыс. км ежегодно, — говорит Кристоф Баллиф (Christophe Ballif), один из авторов данной статьи. — С точки зрения производительности, это — мировой рекорд и для силиконовых фотоэлементов, и в области производства водорода без использования редких металлов».

СЕЙСМОУСТОЙЧИВЫЙ МОСТ ПОЗВОЛЯЕТ ВОЗВЕСТИ УМНАЯ НИКЕЛЬ-ТИТАНОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

В

первые в центре города Сиэтла, США, были использованы стержни из суперэластичного никель-титанового сплава, обычно называемого «нитинол» (Nitinol), содержащего около 55% никеля, и гибких бетонных композитов. Мост, который гнётся при сильном землетрясении, но не только не падает, но и остаётся в рабочем состоянии, — такой мост впервые проходит «боевое крещение» в реальном воплощении как часть нового эстакадного съезда с загруженной магистрали в центре Сиэтла. Современные мосты спроектированы таким образом, что не разрушаются во время землетрясений, а эта новая технология пошла ещё дальше. В лабораторных испытаниях сейсмостойкости конструкций колонны моста, построенные с применением стержня из никель-титанового сплава с памятью формы и гибкого бетонного композита, вернулись к своей изначальной форме после землетрясения мощностью в 7,5 баллов.

 НИКЕЛЬ. КОРОТКО О РАЗНОМ

«Мы протестировали новые материалы, металлические стержни с памятью формы и гибкие бетонные композиты в ряде исследований на моделях моста на крупномасштабном вибростенде в нашей лаборатории. Приятно увидеть первое практическое применение новой технологии в опасных условиях сейсмически активной зоны с высокой интенсивностью движения, — объяснил Саид Саиди (Saiid Saiidi), профессор в области проектирования и строительства гражданских объектов и научный сотрудник Университета Невады в Рено. — Использование этих материалов существенно уменьшает повреждения и позволяет мосту продолжать функционировать даже после сильного землетрясения». В поисках более безопасной, более устойчивой инфраструктуры Саиди, первым предложивший эту технологию, построил и разрушил в рамках лабораторных испытаний несколько крупномасштабных двухсоттонных мостов, отдельных мостовых колонн и бетонных опор, используя разные

 Две суперсейсмостойкие колонны являются частью нового эстакадного съезда с загруженной автомагистрали в центре Сиэтла. Они построены так, что могут трястись и гнуться в момент большого землетрясения и не только не падать при этом, но оставаться в рабочем состоянии.

проектные комбинации и инновационные материалы, в том числе и никель-титановые стержни. «Мы решили проблему неуязвимости, мы можем сохранить мост в рабочем состоянии после сильного землетрясения, — сказал Саиди. — С этими технологиями и материалами мы войдём в новую эру суперсейсмостойких конструкций». «Это может стать огромным шагом вперёд, — сказал Том Бейкер (Tom Baker), инженер-строитель мостов и сооружений Департамента транспорта штата Вашингтон. — Сейчас целью нашего проектирования является предотвращение полного коллапса мостов, но в будущем нашей целью могло бы стать отсутствие повреждений, чтобы после сильного землетрясения мосты оставались открытыми для проезда экстренных служб, коммерческого и общественного транспорта».

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

Заряжая энергией нашу жизнь

играет важную роль во многих системах батарей, имеющихся сегодня на рынке и упроНикель щающих нашу жизнь, освобождая нас от привязанности к электрическим розеткам.

аккумуляторных батарей во многих странах мира.

Но вне зависимости от химического состава аккумуляторов никель играет ещё одну, менее известную, но всё же важную роль — его используют в сочетании со сталью в цилиндрических оболочках и в крышках, которые защищают внутренность батареи. Эта конфигурация из никелированной стали обеспечивает эффективную подачу энергии из батарей на оборудование по мере необходимости.

Кроме обеспечения полезных свойств во время процесса глубокого отпуска металла и в работе аккумуляторных элементов, никель также важен и во время сборки элементов аккумуляторной батареи, так как обладает хорошей свариваемостью.

Цилиндрическая оболочка — это надёжная конструкция, гарантирующая целостность элемента батареи. Расширение и сжатие объёма во время заряда-разряда погашается прочностью стали, и эти цилиндрические никелированные стальные оболочки нашли широкое применение как в одноразовых, так и в перезаряжаемых системах. Низкое переходное сопротивление в контакте достигается путём нанесения нескольких микронов никеля на верхнюю и нижнюю поверхность стальной пластинки. Компания Tata Steel Plating усовершенствовала эту технологию с помощью своих ультрасовременных линий нанесения гальванопокрытий. После нанесения электролитического покрытия рулоны листов подвергаются термической обработке. Эта обработка снижает переходное сопротивление в контакте и улучшает адгезию слоёв для последующего высокоскоростного

… нельзя переоценить ту роль, которую играет никелированная сталь в обеспечении эффективности и надёжности всех типов аккумуляторных систем процесса производства оболочек. Кроме электрических свойств никель также обеспечивает великолепную защиту от коррозии, вызываемой едкой щёлочью, находящейся внутри аккумуляторного элемента. Это ограничивает возможность выделения газа с поверхности электрода при электролизе и создания за счёт этого значительного давления внутри конструкции аккумулятора в течение полного жизненного срока его эксплуатации. Оболочки производятся путём формовки стальной полосы с помощью высокоскоростных прессов прецизионной штамповки с несколькими этапами отпуска стали. Затем готовые оболочки поставляются производителям

КОМПАНИЯ TATA STEEL

 Обработанный термическим способом слой никеля (верх) на полоске из нержавеющей стали (низ) с мелкозернистой диффузионной зоной (середина).  Ультрасовременная линия электролитического никелирования

«Даже несмотря на то, что аккумуляторные батареи часто воспринимаются как нечто само собой разумеющееся, нельзя переоценить ту роль, которую играют никель и никелированная сталь в работе и надёжности всех типов аккумуляторных систем, — говорит д-р Марсель Онинк (Marcel Onink), коммерческий директор в области инноваций компании Tata Steel Plating. — Сегодня в самых больших количествах производятся алкалиновые (щелочные) батарейки. Но при таком сильном росте электрических средств передвижения можно ожидать, что и в будущем эта успешная комбинация будет сохранена. Каков бы ни был окончательный вариант химического состава аккумуляторного элемента, скорее всего, он будет помещён в уже проверенную временем комбинацию стали и электроосаждённого никеля».

Журнал «НИКЕЛЬ» ОНЛАЙН www.nickelinstitute.org ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org/ NickelMagazine/Subscription ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/ NickelMagazine/MagazineHome ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2002 г. www.nickelinstitute.org/en/NickelMagazine/ MagazineHome/AllArchives ЗАГРУЗИТЕ приложение журнала «Никель» для мобильных устройств Android™ и Apple® СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере Twitter @NickelInstitute

КОМПАНИЯ TATA STEEL

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) - зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube. www.youtube.com/user/NickelInstitute

НИКЕЛЬ, Т. 32, № 1, МАЙ 2017 Г.

НИКЕЛЬ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ 

КОМПАНИЯ TATA STEEL

ТЕСНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НИКЕЛЯ И СТАЛИ В АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЯХ

Элементы развёрнуты поперечно (“landscape”), размеры каждого из них — всего 100 мм в высоту и 338 мм в ширину.



К

ак добиться запаса хода электромобиля в 320 км, разгона с места до 100 км/час менее, чем за 7 секунд, и способности зарядки в течение 30 минут для покрытия расстояния в 145 км? Да просто используйте литий-ионную батарею с высоким содержанием никеля! Источником электропитания электромобиля шевроле Bolt EV служит недавно разработанная литий-ионная батарея с запасаемой энергией 60 кВт·ч, установленная на дне кузова от передней ниши до конца заднего сиденья. По сравнению с другими вариантами химического состава вариант литий-ионной батареи с высоким содержанием никеля обеспечивает улучшенные температурные рабочие характеристики, что позволяет использовать активную систему охлаждения меньшего размера с более компактным размещением. Этот химический состав даёт возможность шевроле Bolt EV поддерживать пиковые рабочие параметры в разных климатических условиях и при переменных нагрузках на систему, задаваемых водителями. Улучшенные характеристики мощности и энергии «Как правило, элемент аккумуляторной батареи обеспечивает требуемые уровни либо энергии, либо мощности, но не то и другое одновременно. Этот дизайн аккумуляторного элемента и такой химический состав позволили нам создать систему батарей с импульсной мощностью 160 кВт и запасаемой энергией 60 кВт·ч», — сказал Грегори Смит (Gregory Smith), менеджер инженерной группы батарейного блока Bolt EV. Элементы развёрнуты поперечно (“landscape”), размеры каждого из них — всего 100 мм в высоту и 338 мм в ширину, что даёт возможность

Этот дизайн аккумуляторного элемента и такой химический состав позволили нам создать систему батарей с импульсной мощностью 160 кВт и запасаемой энергией 60 кВт·ч компактнее разместить их на днище. Меньший по высоте профиль элементов батареи позволил конструкторам электромобиля максимально увеличить его внутреннее пространство. «Быть лидером по ассортименту моделей и ценовой доступности ничего не значит, если всякий раз, садясь за руль машины, вы не испытываете удовольствия», — сказал Джош Тавел (Josh Tavel), главный инженер шевроле Bolt EV. — Вот почему перед командой была поставлена задача создания такой движительной системы, которая, вдобавок ко всему, сделала бы Bolt EV электромобилем, доставляющим водителям удовольствие от вождения».

HTTP://A.CHEVROLET.COM

УНИКАЛЬНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ  МОЩНЫЙ ИМПУЛЬС РАЗВИТИЯ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ