Ar ko kurinās nākotnes mobilos?

Viena no pēdējo gadu spilgtākajām pasaules aktualitātēm ir izsīkstošo un arvien vairāk patērējamo neatjaunojamo energoresursu cenu straujais pieaugums. Pasaule gan vaid par augstajām cenām, gan vienlaikus daudz dara, lai attīstītu jaunas tehnoloģijas, kas izmanto atjaunojamus un daudz plašāk pieejamus energoresursus. Viens no virzieniem ir saistīts ar kurināmā elementa (fuel cell) tehnoloģijas izmantošanu.

Funkcionalitāte un ilgdarbība – tirgus pieprasījums

Meklējumi skar ne tikai enerģētiku, tie iekļaujas arī informācijas un komunikāciju tehnoloģiju (IKT) nozares nākotnes attīstības vīzijā. Kurināmā elementa kā strāvas avota izmantošanai IKT ir objektīvi priekšnoteikumi. Salīdzinājumā ar šobrīd plaši izmantotajiem, piemēram, litija, elementiem ūdeņraža kurināmā elementi spējot producēt daudz vairāk enerģijas uz noteiktu masas vienību, tie ir daudzkārt ražīgāki un tādēļ arī to attīstība ir perspektīvāka.

Kopš deviņdesmito gadu beigām vērojama gan sadzīves elektronikas, gan sakaru līdzekļu un datortehnikas ražotāju tendence katru jaunās produkcijas sēriju veidot pēc iespējas energotaupošāku. Īpaši svarīgi tas ir pārnēsājamām ierīcēm, kuras par enerģijas avotu izmanto akumulatorus. Ieviešot jaunas tehnoloģijas (piemēram, enerģiju taupošus monitorus klēpjdatoriem), jau gūti ievērojami panākumi. Tā klēpjdatoru darbības laiks bez uzlādēšanas pēdējo piecu gadu laikā ir palielinājies no pāris stundām līdz piecām un pat vairāk stundām.

Tomēr ilgdarbības problēma ar pašreizējiem līdzekļiem ir grūti risināma. Jaunie produkti tiek veidoti arvien sarežģītāki. Parādās klēpjdatori ar 17 un pat 19 un 20 collu ekrāniem, daudzfunkcionāli mobilie telefoni (foto ar zibspuldzi, video funkcija, TV uztveršanas un skatīšanās iespēja), kuru darbības un atmiņas kapacitātes nodrošināšanai tiek pieprasīts arī arvien vairāk enerģijas. Noteicošā loma te ir tirgus prasībām – daudzfunkcionalitāte un ilgdarbība ir paši būtiskākie kritēriji mobilo ierīču izvēlē.

Kurināmā elementa akumulatoru pirmie paraugi

Pēdējos gados attīstījušās arī tradicionālās akumulatoru tehnoloģijas. Niķeļa-kadmija, dārgāko niķeļa-metāla hidrīda akumulatoru vietā nākuši litija jonu vai litija polimēru akumulatori, kas ir ilgdarbīgāki un arī ar mazāku atmiņas efektu. Taču salīdzinoši zemā jaudas blīvuma dēļ to tālākas attīstības iespējas ir ierobežotas. Tādēļ arī kurināmā elementus uzskata par vienu no perspektīvākiem risinājumiem, kas tuvāko gadu laikā varētu aizvietot līdz šim tirgū dominējošās tehnoloģijas.

Kurināmā elementu izmantošana portatīvo elektroierīču energoapgādei ir jaunums. Pašlaik visbiežāk var runāt tikai par pirmajiem paraugiem, prototipiem vai, labākajā gadījumā, par pirmajām, nelielajām sērijveida partijām. Uzskata, ka šī enerģijas avota pārvēršanās par sērijveida produktu varētu notikt dažos gados.

Pēc www.fuelcelltoday.com datiem IKT jomā šobrīd dominē trīs kurināmā elementu tehnoloģiskie risinājumi. Tie ir t. s. tiešie metanola (Direct Methanol Fuel Cells - DMFC) kurināmā elementi (akumulators ir pildīts ar metanolu), protonu apmaiņas membrānas (Proton Exchange Membrane – PEMFC) kurināmā elementi, kuros izmanto polimēra elektrolītu. Trešā izplatītākā ir cieto oksīdu (Solid oxide - SOFC) kurināmā elementu tehnoloģija.

Ar pētniecību un izstrādēm kurināmā elementu jomā nodarbojas tieši šim mērķim radītas augsto tehnoloģiju kompānijas, zinātnes centri un nu jau arī visas lielās elektronikas kompānijas. Nozīmīgs impulss bija ASV politiskā vēlme veidot neatkarīgu ūdeņraža ekonomiku, līdz ar to šīs tehnoloģijas attīstīšanā tiek ieguldīti ļoti lieli līdzekļi. Piemēram, 2004. gada aprīlī ASV Enerģētikas ministrija ūdeņraža kurināmā elementu attīstībai sadalīja grantus 350 miljonu dolāru apjomā. 

 

Japāna – līdere jauno akumulatoru izmantošanā elektronikā

Ar ASV šajā jomā sacensties var tikai Japāna, kas tradicionāli ir naska uz tehnoloģiski jaunu risinājumu un produktu ieviešanu tirgū. Japānu uzskata par līderi kurināmā elementu izmantošanā elektroniskajās ierīcēs. Jau pagājušā gada CeBIT izstādē Toshiba demonstrēja klēpjdatoru no Portege sērijas, kurš darbojās ar barošanas elementa prototipu, kas ģenerē elektrību no skābekļa-metanola maisījuma. Akumulatora izejas jauda ir 20 W, un tas bez uzlādes nodrošina datoru ar elektrību līdz 10 stundām. Tā sērijveida ieviešanai vajadzēs trīs gadus.

Toshiba plašākai publikai ir demonstrējusi arī pasaulē mazāko kurināmā elementa akumulatoru. Tas izstrādāts DMFC tehnoloģijā un paredzēts mazām elektroierīcēm, piemēram, digitālajiem mūzikas atskaņotājiem. 2005. gada februārī šis Toshiba produkts tika ierakstīts Ginesa rekordu grāmatā kā pasaulē mazākais DMFC tehnoloģijā izstrādātais barošanas elements. Parauga izmēri bija 22 x 56 x 4,5 mm. Tajā ir augstas koncentrācijas (99,5 %) metanola degvielas tvertne. Akumulatora izejas jauda bija 100 mW (milivati). Tālāk attīstot šo miniatūro akumulatoru, kompānija radījusi divus prototipus: 100 mW (23 x 75 x 10 mm) akumulatoru, kas darbojas 35 stundas ar vienu 3,5 ml metanola devu, un 300 mW (60 x 75 x 10mm), kas darbojas 60 stundas ar 10 ml metanola devu.

Ilgdarbīgu kurināmā elementa mikroakumulatora prototipu izmantošanai videokamerās izstrādājis arī Canon. Uzņēmums gan nav devis ziņu par tā komercializācijas plāniem. Arī Casio izveidojis ļoti kompaktu DMFC tehnoloģijas akumulatoru klēpjdatoru, digitālo kameru u. c. barošanai. Taču, kā uzskata kompānija, vēl nepieciešama papildu izpēte izmaksu samazināšanai.

Jaunu kurināmā elementu izstrādei spēkus apvienojuši Fujitsu Laboratories un Japānas mobilo telekomunikāciju operators NTT DoCoMo. Sadarbībā radies DMFC tehnoloģijā veidots kurināmā elementa – lādētāja (5,4 V, 500 mA) prototips mobilajiem telefoniem. Šo ierīci plāno laist Japānas tirgū 2006. gadā. Tās tvertnē ir 18 cm³ 30 procentu koncentrācijas metanola. Tiek pilnveidotas arī kurināmā elementa akumulatoru baterijas, ar kurām paredzēts nomainīt pašreizējos mobilo telefonu litija jonu akumulatorus. Mobilie telefoni ar šāda tipa akumulatoriem parādīsies tirgū ap 2007. gadu.

Savdabīgu izstrādājumu pagājušā gada nogalē pasaulē laida Hitatchi. Tas ir personālā digitālā palīga (PDA) Nature Viewer prototips, kura barošanu nodrošina DMFC kurināmā elements. Nature Viewer sver ap 700 gramu un bez uzlādes spēj darboties piecas stundas. Prototipu attīstot, tika samazināts gan PDA svars, gan arī pagarināts akumulatora darbības laiks. Hitatchi attīstīta arī kurināmā elementa akumulatorus mobilajiem tālruņiem. To paraugi tika izstādīti 2005. gada pasaules izstādei Japānā. Akumulatorus plāno laist tirgū 2007. gadā. Hitatchi ir radījis arī DMFC kurināmā elementu akumulators klēpjdatoriem un mobilo telefonu akumulatoru lādētāju uz kurināmā elementa bāzes. Abi parādīsies tirgū 2006. gadā.

Panākumi šīs tehnoloģijas attīstīšanā ir arī Sanyo Electric, kas ir pasaules līdere akumulatoru bateriju ražošanā. Kurināmā elementu izstrādē kompānija sadarbojas ar IBM. Aprīlī Sanyo demonstrēja IBM Think Pad kurināmā elementa (DMFC) akumulatora prototipu, kas bez uzlādēšanas spēja darbināt klēpjdatoru astoņas stundas. Oktobrī pasaules datoru izstādē (World PC Expo) Tokijā Japānas lielražotājs NEC demonstrēja jau kārtējo kurināmā elementa akumulatoru klēpjdatoriem (iepriekšējie tika publikai demonstrēti 2003. un 2004. gadā). Šīgada modelis ir par 20 procentiem mazāks nekā iepriekšējais un ar augstāku jaudas blīvumu (70 mW/cm² pret 50 mW/cm² 2004. gada prototipā). 250 cm³ metanola degvielas tvertne nodrošina klēpjdatora desmit stundu nepārtrauktu darbu. Kompānija lēš, ka tirgū akumulators nonāks 2007. gadā.

 

Tehnoloģiskās attīstības iespēju dažādība

Nesnauž arī Japānas kaimiņvalstu tehnoloģiski attīstītie uzņēmumi. Tā korejiešu Samsung jūlijā prezentēja kurināmā elementa modeli, kurā par enerģijas avotu izmanto butānu. 220 gramu šķidrā butāna bez uzpildīšanas spēj darbināt klēpjdatoru ap 20 stundu. Samsung paziņojis, ka šķidrā butāna kurināmā elementa akumulatori tirgū parādīsies 2007. gadā. To elektriskā jauda būšot 300 W. Šī gada oktobrī kurināmā elementa bateriju prezentēja arī LG. Akumulatoru izstrādājis LG meitas uzņēmums LG Chem, tas veidots DMFC tehnoloģijā un tam ir 200 cm³ metanola tvertne. 25 W akumulators, kas strādā ilgāk par 4000 stundām, sver nedaudz mazāk par kilogramu.

Līdz pirmajam sērijveida risinājumam nesen tikusi American Power Conversion (APC), pasaules līdere datu apstrādes centru inženiertehniskās infrastruktūras jomā. APC ir viena no nepārtrauktās strāvas barošanas sistēmu (UPS) pionierēm. Šovasar APC sāka pārdot InfraStruXture risinājumus datu centriem. InfraStruXure piedāvā barošanas strāvas un dzesēšanas sistēmu arhitektūru, kas sastāv no viegli darbināmiem, iepriekš izstrādātiem moduļu komponentiem. Šajā risinājumā par rezerves barošanas avotu pirmo reizi izmantots kurināmā elements (PEMFC).

PEMFC tehnoloģiju lietošanai klēpjdatoru akumulatoros attīsta arī viens no pazīstamākajiem šīs jomas uzņēmumiem Millenium Cell. Pēdējos gados kompānija aktīvi sadarbojās ar Intel, tās rezultātā martā Intel attīstības forumā Sanfrancisko tika demonstrēts akumulatora prototips IBM Think Pad klēpjdatoram. Tas gan esot spējis nodrošināt datora darbību bez uzlādes tikai trīs stundas, bet mērķis ir sasniegt astoņu stundu nepārtrauktu darbību. Izstrādājuma vairumtirdzniecības cena tiek lēsta ap 25 USD, un tā ir konkurētspējīga ar pašreizējām akumulatoru cenām. PEMFC tehnoloģija gan nav vadošā Millenium Cell darbībā. Uzņēmums galvenokārt attīsta 1998. gadā patentēto Hydrogen on Demand^® tehnoloģiju, kas paredz sodas borhidrīta (NaBH₄) izmantošanu.

Šo virzienu veiksmīgi attīsta arī ASV un Izraēlas kopuzņēmums Media Technologies, kas 2006. gadā plāno laist tirgū pašizstrādāto Power Pack akumulatoru. Tas nodrošina ap 20 stundu ilgu mobilā telefona darbību sarunu režīmā bez uzlādes. Vairumtirdzniecības cena būšot ap 8 USD. Izraēlas pirmā Power Pack rūpnieciskās ražošanas līnija 2005. gada beigās plāno sasniegt pusotra miljona akumulatoru mēnesī. Jau ir noslēgti pirmie līgumi ar vairumtirgotāju ASE International, kas apņēmies 2006. gadā ik mēnesi pārdot 200 000 Power Pack.

Iespēju meklējumi kurināmā elementa tehnoloģijas attīstībā noris nepārtraukti. Jauni pavērsieni gadās ik brīdi. Tam apliecinājums ir arī nesenie ASV kompānijas SiGNa Chemistry panākumi. Tajā strādā tikai pāris cilvēku, un tās pamatnodarbe ir izejvielu piegāde ķīmijas un farmācijas uzņēmumiem. Tās darbinieki pavisam nejauši atraduši efektīvu ūdeņraža ieguves veidu. Viņi lēš, ka jaunatklāto tehnoloģiju varēs lietot kurināma elementos, kuri ģenerēs pietiekami daudz elektroenerģijas, lai tos varētu izmantot nedēļu ilgai mobilā telefona barošanai, vai arī nodrošināt īslaicīgu automašīnas elektroapgādi avārijas gadījumā. Metodes pamatā ir nātrija un kristāliskā silicija pulvera vai silikogela reakcija ar ūdeni, kā rezultātā rodas ūdeņradis.

Kurināmā elementu attīstībā vēl ir daudz neatrisinātu problēmu, kas saistītas gan ar akumulatoru energoefektivitātes paaugstināšanu, to uzpildīšanas risinājumiem un izmaksu samazināšanu. Taču progress ir acīmredzams, un atliek gaidīt šādus akumulatorus tuvākajos gados parādamies arī veikalu plauktos.

 

Alvils ZAUERS

www.nozare.lv