В России
Сверхрынок для Росатома

Росатом планирует встать в авангарде российской сверхпроводниковой индустрии. За последние годы госкорпорация наработала технологии и компетенции для производства сверхпроводниковых материалов и различных устройств на их основе, которые позволяют в одной только электротехнике добиться качественно новых показателей энергоэффективности. Но рынок еще только предстоит сформировать, а до массового внедрения опытные образцы изделий необходимо испытать в реальной жизни. 

 

От третьей промышленной революции к четвертой

 

Олег БАРАБАНОВ, директор по развитию и реструктуризации госкорпорации «Росатом»

Глобальные трансформации производственного уклада принято называть промышленными революциями. Мы живем в период третьей, или цифровой, промышленной революции, которая предполагает повсеместное использование в производстве вычислительной техники и коммуникационных технологий.

В прошлом номере рассказывалось о новом поколении АСУ ТП, которое разработано для Белорусской АЭС и должно стать референтным для последующих проектов строительства АЭС как внутри страны, так и за рубежом. Это решение ни в чем не уступает зарубежным аналогам, а по некоторым параметрам даже превосходит их. Мы уверены, что высокий уровень технологий обеспечит конкурентоспособность наших АСУ ТП в мире. Причем не только в атомной и тепловой энергетике, но и в нефтегазовом секторе, в инфраструктуре железнодорожного транспорта и так далее.
 
В области металлообрабатывающего оборудования абсолютное большинство современных цифровых обрабатывающих центров пока создается за рубежом, что влечет потенциальные риски, в том числе при производстве продукции для гособоронзаказа. Свой вклад в преодоление технологического отставания и перезапуск высокотехнологичной отрасли призваны внести проекты ФГУП «ПСЗ», ФГУП «ПО „Маяк“», ФГУП ФНПЦ «ПО „Старт“» им. М. В. Проценко» и ФГУП «ФНПЦ ­НИИИС им. Ю. Е. Седакова».
 
На этих предприятиях будут выпускаться станки с числовым программным управлением, соответствующие современным тенденциям обработки металла, промышленного дизайна, эргономики и повышенным требованиям безопасности. В частности, ФГУП «ПСЗ» совместно с ЗАО «Балтийская промышленная компания» будут выпускать станки под торговой маркой «F.O.R.T». Уже организованы промышленная сборка станков, производство отдельных узлов и запчастей станочного оборудования. Сегодня доля локализации производства комплектующих составляет 15 %. Но уже в ближайшее время использование собственных станин позволит довести локализацию до 45 %. Об этом и других проектах будет рассказано в ближайших номерах журнала.
 
Несмотря на то что концепция третьей промышленной революции еще не вполне устоялась, все чаще можно услышать о четвертой промышленной революции, старт которой был дан в 2011 году — с созданием немецкой частно-государственной программы Industrie 4.0. Ключевой драйвер этой концепции — «киберфизические системы», интегрированные в производственные процессы. Речь идет о полностью автоматизированном и автономном производстве, которое будет самостоятельно адаптироваться под изменяющиеся нужды потребителей, вплоть до производства персонализированных изделий. При этом отдельные производственные единицы, участки и даже заводы смогут взаимодействовать без участия человека — с помощью «Интернета вещей». Одним из важнейших элементов производства будущего станут аддитивные технологии, или 3D-печать. Об отраслевых разработках в этой области, задачах и перспективах внедрения аддитивных машин — в рубрике «Тема номера».
 
Каким бы ни было производственное оборудование, оно не может функционировать без доступной и эффективной энергетической инфраструктуры. Требования к такой инфраструктуре постоянно растут: например, массовое внедрение возобновляемых источников энергии во многих странах создает запрос на увеличение пропускной способности сетей с одновременным снижением потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния. Одним из перспективных вариантов решения такой задачи может стать применение энергетических кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
 
Технология ВТСП также позволит существенно улучшить массо-габаритные характеристики электродвигателей, трансформаторов, генераторов тока. О том, какие задачи в области ВТСП решают отраслевые разработчики, рассказывается в нашей традиционной рубрике «Новые бизнесы».
 
 

 

Технологиями создания композиционных сверхпроводниковых материалов атомщики занимаются давно: их разработка началась более 40 лет назад во ВНИИНМе им. А. А. Бочвара. «Институт занимается сверхпроводимостью с самого начала развития этой темы в СССР в конце 1960-х годов. За эти годы была создана хорошая школа по низкотемпературным сверхпроводникам», — рассказывает замгендиректора — директор научно-исследовательского отделения АО «ВНИИНМ» Ильдар Абдюханов.
 
Однако в области высокотемпературных сверхпроводящих материалов, открытых в конце 1980-х годов, к началу XXI века Россия отставала от мировых лидеров — в то время страна переживала не лучший для науки период. В 2010 году в рамках комиссии при президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики был утвержден проект «Сверхпроводниковая индустрия». В нем были поставлены цели: отработка технологии производства ВТСП-изделий, а также разработка широкого спектра электротехнического оборудования на основе высокотемпературных сверхпроводников. Головной компанией проекта был назначен Росатом, а непосредственной работой занялось АО «Русский сверхпроводник».
 
 
Несмотря на название — «высокотемпературный» — никакой высокой температуры в сверхпроводнике нет: ВТСП также работают при большом охлаждении, при температуре жидкого азота (максимальная температура — 138 °К). Разработки в рамках президентской программы велись в области второго поколения высокотемпературных сверхпроводников (сложные соединения, как правило, на основе оксидов меди): оно считается более перспективным, чем первое — висмутовая керамика. «У ВНИИНМа есть технология производства также и первого поколения высокотемпературных сверхпроводников. Но сейчас к этому виду материалов интерес намного меньше, чем ко второму поколению, которое считается более коммерчески перспективным», — пояснил И. Абдюханов.
 
Программа завершилась в 2015 году. «С задачами, поставленными в рамках проекта, мы справились. Были наработаны компетенции, создано первое в России производство ВТСП-ленты второго поколения с единичной длиной в один километр, что полностью соответствует мировым тенденциям. Начав практически с нуля пять лет назад, мы вышли на хороший конкурентоспособный уровень», — рассказывает руководитель проекта сверхпроводниковых материалов и устройств «Русского сверхпроводника» Андрей Кащеев.
 

Продукт и производство

Основной продукт ВТСП второго поколения (ВТСП-2) — это лента толщиной около 100 микрон с нанесенными на нее слоями: буферным, сверхпроводящим, защитным и шунтирующим. Из этой ленты (ее также называют ВТСП-проводом) можно сделать различные электротехнические устройства, которые будут характеризоваться более высокой энергетической эффективностью. Например, ВТСП-кабели позволяют в разы снизить потери в силовых электросетях, сверхпроводниковые ограничители тока — существенно повысить надежность электроснабжения. ВТСП-технологии дают возможность в разы снизить вес двигательных установок больших судов типа круизных лайнеров или танкеров, при этом на десятки процентов увеличив их энергоэффективность. Создать новые магнитно-резонансные томографы с существенно улучшенным разрешением или уменьшенным в разы временем сканирования пациента. Соорудить новые ускорители и коллайдеры с габаритами в разы меньше и на десятки процентов меньшим энергопотреблением. И даже создать наземные транспортные системы на эффекте магнитной левитации со скоростью движения до 1000 км/ч!
 
 
Опытное производство высокотемпературных сверхпроводящих материалов Росатома размещено на трех площадках, хотя в работе участвовало больше организаций, включая Курчатовский институт и другие НИИ, занятые в теме сверхпроводимости в России, отмечают эксперты. Во ВНИИНМе производят ленту-подложку, на которую в НИИТФА наносят ориентированный слой. Затем лента передается на площадку НИИЭФА в Петербург, где на нее напыляют остальные необходимые слои, включая слой сверхпроводящей оксидной керамики. «Очень важное требование к ленте-подложке — ее гладкость. Шероховатость измеряется нанометрами. Достичь такой гладкости — сложная задача, потому что длины исчисляются сотнями метров, до километра. Представьте себе металлическую ленту длиной в километр, которая имеет шероховатость поверхности не более 10–20 нанометров», — поясняет И. Абдюханов. Помимо всего прочего, во ВНИИНМе также разработали технологии изготовления всех необходимых типов мишеней для нанесения буферных и сверхпроводящих слоев.

 

Проводники тока

Одной из задач проекта «Сверхпроводниковая индустрия» была разработка опытных образцов электротехнических устройств. «Мы полностью выполнили те задачи, которые были перед нами поставлены. Было создано семь опытных образцов изделий и несколько участков опытных производств», — отмечает А. Кащеев. Были разработаны сверхпроводниковые ограничители тока для сетей постоянного и переменного тока, сверхпроводниковые устройства: кинетический и индуктивный накопители энергии, электродвигатель для транспортных систем, генератор, который предполагается использовать в системе ветрогенерации, перечисляет А. Кащеев. Также на базе Энергетического института им. Г. М. Кржижановского были разработаны опытные образцы сверхпроводникового трансформатора, а также мощных тоководов для магнитных систем устройств термоядерной энергетики и для других установок. «В частности, эти тоководы могут использоваться для изготовления сверхпроводниковых силовых кабельных линий», — добавляет он. Результаты испытаний сверхпроводниковых электрических машин подтвердили сокращение потерь, рост КПД, а также снижение массогабаритных характеристик, причем снижение достигало двухкратного размера. «Мы начинали практически с нуля. И в итоге пришли к устройствам, готовым к внедрению, с расчетными параметрами», — утверждает А. Кащеев.
 
Таким образом, в настоящее время у Росатома есть собственное производство базового материала для выпуска сверхпроводниковых продуктов — лент ВТСП-2, а также образцы электротехнических устройств, готовых к опытно-промышленной эксплуатации.
 
 

 

Теория плюс история

Сверхпроводимостью называют свойство некоторых материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими определенной температуры (так называемой критической). Это открытие сделал в 1911 году голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес. Измеряя зависимость электрического сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при охлаждении до 4,15 °К сопротивление резко падает до неизмеримо малой величины. Этот эффект был совершенно неожиданным и не мог быть объяснен существовавшими тогда теориями. Затем были открыты такие характеристики, влияющие на состояние сверхпроводимости, как критическое магнитное поле и критическая плотность тока. При достижении этих параметров сверхпроводник переходит в обычное, несверхпроводящее, состояние.
 
В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд экспериментально установили, что сверхпроводник в постоянном магнитном поле самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние идеального диамагнитизма. Это явление получило название эффекта Мейснера.
 
 
В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у 27 элементов (максимальная температура, 9,2 °К, — у ниобия) и более 1000 сплавов (максимальная температура, 23,2 °К, — у сплава Nb₃Ge). Сверхпроводимость наблюдается также у широкого класса соединений, которые относят к категории высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП, максимальная температура 138 °К). ВТСП были открыты в 1986 году, и это привело к существенному расширению потенциальных областей промышленного использования сверхпроводников.
 
Ранее, в 1960-х годах, были открыты низкотемпературные сверхпроводники с высоким значением критического поля (NbTi, Nb₃Sn), что позволило разработать устройства, создающие сильные магнитные поля для использования в томографии, ускорителях, оборудовании для магнитной сепарации и так далее.
 
Работы по изучению сверхпроводимости удостоились нескольких Нобелевских премий.
 

 

Сети, транспорт и другие применения

В мире ВТСП-лента появилась как коммерческий продукт только в конце 2000-х годов, поэтому в области электротехники сегодня она внедрена пока лишь точечно. Например, ограничители тока резистивного типа на основе лент ВТСП-2 производства американской SuperPower в 2013 году были подключены к сети компании Silicon Valley Power в Калифорнии. Другой ограничитель тока в июне 2014 года был подключен к сети компании Central Hudson в штате Нью-Йорк. В сентябре 2014 года в немецком Эссене был запущен первый в мире промышленный сверхпроводящий кабель длиной 1 км, соединивший две городские подстанции. Трехфазный концентрический кабель на 10 000 вольт проекта AmpaCity рассчитан на передачу 40 МВт мощности.
 
По сравнению с медным проводом такого же размера, сверхпроводящий кабель может передавать в пять раз больше энергии, несмотря на наличие системы охлаждения. Это свойство делает такие кабели очень перспективными для использования в мегаполисах. «В городской черте очень плотная застройка и дорогая земля. Как передать большой объем мощности? Обычный кабель потребует сооружения нового, более крупного коллектора. Сверхпроводящий кабель, даже с учетом охлаждения, можно проложить в старом, небольшом коллекторе», — поясняет И. Абдюханов.
 
В России первой на новые технологии обратила внимание Москва. Еще в 2014 году столичный мэр Сергей Собянин ознакомился со сверхпроводниковыми технологиями, и городская энергокомпания «ОЭК» заявила о намерении применить их на новой подстанции «Очаковская». В этом году, 19 мая, Сергей Собянин вместе с президентом Курчатовского института Михаилом Ковальчуком и главой Росатома Сергеем Кириенко посетили площадку НИИТФА. «Правительство Москвы заинтересовалось нашими разработками — сверхпроводниковыми кабелями, ограничителями тока, трансформаторами. Ведется поиск площадок, где их внедрение было бы наиболее эффективным», — рассказывает А. Кащеев.
 
Мэр Москвы Сергей Собянин, глава Росатома Сергей Кириенко и президент НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук в ходе визита в НИИТФА в конце мая обсудили создание на площадке института индустриального парка, который, в частности, станет полем для практической демонстрации технологий ВТСП в энергетике Москвы
 
Несмотря на то что сверхпроводниковые устройства дороже, чем обычные, при ряде условий уже сегодня применение новейших технологий может оказаться выгоднее. Дополнительные затраты на сверхпроводниковые устройства может компенсировать их повышенная энергоэффективность. «Показательно сравнение сверхпроводниковых и обычных кабельных линий. Чтобы передать 300 МВт мощности на распределительном напряжении 10–20 кВ, нужно в среднем 36 обычных, нормальнопроводящих кабелей, которые укладываются в кабельный канал шириной до восьми метров. Эту же мощность можно передать одним сверхпроводниковым кабелем, максимум тремя, диаметр каждого — всего 11 см с учетом системы охлаждения. Это дает высвобождение дорогой земли и сокращение объема дорогостоящих строительных работ», — подсчитывает А. Кащеев. Так что сверхпроводники — это не безумно дорого. На примере Москвы «Русский сверхпроводник» показал, что эти решения могут быть дешевле на 20 % по сравнению с традиционными технологиями.
 
Что касается безопасности, показательный пример — кабель в Эссене. «Он идет в самом центре города: под трамвайными путями, под домами. За два года не было ни одного случая, который мог бы поставить под сомнение безопасность, эффективность и надежность этих кабельных линий», — констатирует А. Кащеев.
 
Второй перспективный сектор для использования сверхпроводников — транспорт. Росатом в 2014 году подписал с «Российскими железными дорогами» соглашение о научно-техническом сотрудничестве. В документе значительная часть сферы взаимных интересов обозначена как поставки ВТСП-устройств: электроустановок для локомотивов, ограничителей тока для тяговых подстанций. В соглашении также говорится про магнитную левитацию, на основе которой можно создавать летящие над поверхностью сверхскоростные поезда. В городском транспорте возможно использование сверхпроводниковых двигателей и накопителей энергии на электробусах.
 
 
Сверхпроводниковые генераторы Росатом намерен коммерциализировать, используя на ветроустановках (ВЭУ) большой мощности. Традиционные генераторы большие и тяжелые, что играет роль при доставке и монтаже ВЭУ на отдаленных территориях. Еще более выгодной эта история становится, если делать автономные комплексы: ВЭУ со сверхпроводниковыми генератором и  накопителем. Такие комплексы могут применяться на Крайнем Севере, где генерация электроэнергии обеспечивается за счет дорогого привозного дизельного топлива. Обсуждение различных вариантов сотрудничества сейчас ведется с АО «ВетроОГК».
 

Сверхрынок

Мировой рынок сверхпроводниковых технологий находится в стадии становления. «Рынок изделий из ВТСП-проводов только формируется. Большие компании, такие, как Siemens, Toshiba, Airbus, Boeing, Nexans, Festo, BASF, инвестируют средства в развитие этого направления. Темой активно занимаются в ведущих исследовательских центрах развитых стран», — комментируют ситуацию в компании «­СуперОкс», фактически единственном конкуренте Росатома на этом рынке. Компания, основанная в 2006 году на частные инвестиции при поддержке научной школы МГУ, еще в 2012 году вышла на первые продажи ВТСП-лент второго поколения и реализует их как в России, так и за рубежом. Впрочем, в связи с отсутствием сегодня рынка как такового, компании себя конкурентами не считают.
 
 
Согласно оценкам компании Wise Guy Consultants, в 2015 году его объем составил $1,8 млрд. По ее прогнозам, к 2022 году он вырастет до $5,8 млрд. Только по ВТСП-проводу объем продаж достигнет $1 млрд в 2017 году, прогнозирует «СуперОкс». Рынку прочат большое будущее: по оценке Виктора Панцырного, директора по развитию «Русского сверхпроводника», к 2040 году суммарный объем спроса на ВТСП-технологии составит от $6 млрд до $17 млрд. Есть за что побороться.
 
Эксперты отмечают, что рынок сверхпроводниковых устройств отличается от рынка обычных товаров. Каждое сверхпроводниковое изделие уникально и готовится «под потребителя», «под проект». Это рынок заказов, а не товаров. Поэтому внедрения сверхпроводников в электроэнергетику нельзя достичь только усилиями производителей, нужно объединение усилий и разработчиков, и потребителей. «Продукты безусловно будут востребованы в будущем. Но они требуют вывода на рынок. Рынок под них нужно создавать», — говорит И. Абдюханов.
 

 

Достижения в НТСП

Российские низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) используются в проекте международного термоядерного экспериментального реактора — ИТЭР. Пятая часть сверхпроводящих материалов, из которых создается магнитная система реактора ИТЭР, будет российской, произведенной на «Чепецком механическом заводе» по разработанной нами технологии, говорит И. Абдюханов. В 2015 году была полностью и в соответствии с графиком завершена поставка низкотемпературных сверхпроводящих проводов на основе соединения Nb₃Sn и сплава NbTi в количестве 220 тонн, а также токонесущих элементов на их основе для намотки тороидальных и полоидальных магнитных катушек удержания плазменного шнура в камере реактора.
 
«Сегодня технологии ­ВНИИНМа по НТСП находятся на уровне лучших мировых разработок. Мы доказали это участием в ИТЭР. По некоторым параметрам, например циклической стойкости, российский кабель в оболочке, изготовленный из Nb₃Sn проводов, показал самые лучше результаты, и международная организация это признала», — отмечает он.
 
 
Низкотемпературные сверхпроводники используются не только в научных проектах. Например, провода на основе NbTi используют для изготовления магнитно-резонансных томографов. Сейчас топливная компания «ТВЭЛ» выходит на рынок сверхпроводников для магнитно-резонансных томографов с проводом, изготовленном на ЧМЗ по технологии ВНИИНМа.
 
На ЧМЗ полным ходом идет третья стадия квалификации, после которой завод будет сертифицирован как промышленный производитель низкотемпературных сверхпроводящих материалов для одного из мировых производителей томографов. Это будет первым в истории случаем, когда российское предприятие станет поставщиком материалов для столь современного оборудования, гордится И. Абдюханов. «После завершения квалификации мы займем достойную долю рынка», — обещает он.
 
Кроме этого, ВНИИНМ разрабатывает низкотемпературные сверхпроводящие провода для ускорителя НИКА. Ведутся также работы по сверхпроводниковым материалам на основе диборида магния и соединений железа с мышьяком. Эти соединения обладают высокой токонесущей способностью в сильных магнитных полях, поэтому интересны и перспективны, считает И. Абдюханов. Все эти направления позволят ТВЭЛ обеспечить выход на новые рынки неядерной инновационной продукции.
 

 

Успеть за девять лет

Формирование рынка станет одной из составляющих программы дальнейшего развития сверхпроводниковой индустрии в России — концепции ФЦП «Сверхпроводниковые технологии в народном хозяйстве РФ» на 2017–2025 годы. «Программа формируется как системообразующая. Она охватывает максимально возможные сферы экономики — как целевые рынки для готовой продукции, позволяющие обеспечить комплексное внедрение в различных отраслях», — рассказывает А. Кащеев. Над документом трудится рабочая группа, в которую вошли представители различных дивизионов Росатома, Курчатовского института, Энергетического института им. Г. М. Кржижановского, МАИ, НТЦ «ФСК ЕЭС». «Русский сверхпроводник» — своего рода системный интегратор, поясняет А. Кащеев.
 
 
Кроме того, в программу включена задача полномасштабного производства отечественных сверхпроводниковых устройств на базе ВТСП-лент второго поколения. «Планируется организация производств и промышленное внедрение устройств и комплексов на их основе в реальный сектор экономики. Причем это будет делаться не на дотации, а с учетом окупаемости проектов и выхода на показатели прибыльности по каждому из устройств», — отмечает А. Кащеев. До этого опытные образцы изделий, полученные на первом этапе, предстоит испытать в реальной жизни. «Для того чтобы продукт смог завоевать рынок, должно быть подтверждено, что он лучше и эффективнее аналогов. А этого можно достичь только пройдя все этапы опытно-промышленной эксплуатации последовательно», — отметил И. Абдюханов.
 
 
Важный элемент ВТСП-изделий — охлаждающие системы, которые в РФ пока не производятся. В программу будет включена задача формирования российских разработок таких систем. Магнитную левитацию разработчики программы планируют выделить в отдельное направление. Будут совершенствоваться технологии производства ленты ВТСП-2. Частью программы станет и изменение российской нормативной базы, которая сегодня никак не описывает сверхпроводимость — ни на уровне правил технологического функционирования электроэнергетики, ни на уровнях регламентов компаний-потребителей.
 
Росатом рассчитывает, что разработка масштабной девятилетней программы завершится в этом году. Затем потребуются согласование и утверждение — и этот этап может занять долгое время. «Рабочей группе предстоит определиться с форматами ее реализации: государственная ФЦП, программы министерств, инвестпрограммы компаний, инновационные программы. Мы стараемся сделать программу универсальной, чтобы она могла быть относительно легко адаптирована, в зависимости от того, какое решение будет принято о формате ее реализации», — говорит А. Кащеев. Финансовые показатели, которые будут заложены в программу, разработчики раскрыть пока не готовы.
 
 
По прогнозам 2008 года, рынок сверхпроводниковых устройств должен был появиться к 2020–2025 годам. Но сейчас, с учетом фактических темпов совершенствования технологий, можно говорить о том, что полноценный рынок будет сформирован к 2030 году, считают в «Русском сверхпроводнике». «При сохранении существующих темпов развития, к этому моменту мы вполне обоснованно видим Росатом как полноценного игрока на перспективном рынке сверхпроводящих электроэнергетических устройств», — заключает А. Кащеев.
 
Анна МАРТЫНОВА

 

24.06.2016

Комментарии 0

Войдите или  зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Аналитика