Физико-технический институт (ФТИ)

- один из ключевых научно-исследовательских центров Казахстана, занимающийся фундаментальными и прикладными разработками в области физики твердого тела, ядерной физики и современных технологий. Основанный в 1990 году по постановлению Совета Министров Казахской ССР, он прошел значительный путь трансформации, став частью Национального исследовательского университета (КазНИТУ).

Сегодня ФТИ объединяет девять высоко-технологичных лабораторий, работающих над перспективными направлениями науки:

•             исследование инновационных функциональных материалов;

•             изучение фотоэлектрических явлений;

•             разработка гетеропереходных солнечных элементов;

•             радиационная экология;

•             физика высоких энергий и космических лучей;

•             и многое другое.

Физико-технический институт активно развивает исследования и внедрение технологий в области возобновляемых источников энергии. Одними из ключевых направлений работы более 10 лет остаются разработка и совершенствование гетеропереходных солнечных элементов.

Гетеропереходные солнечные элементы представляют собой инновационные фотоэлементы, созданные на основе гетероструктур - уникальных многослойных материалов, состоящих из различных полупроводников. Каждый из этих материалов обладает особыми электрофизическими и оптическими свойствами, что позволяет создавать внутри фотоэлемента электрические поля, напрямую влияющие на эффективность и производительность солнечных модулей.

Важным этапом в развитии института стало открытие опытно-промышленного цеха по про-изводству фотоэлектрических модулей, что позволило перевести научные разработки на новый уровень - от лабораторных исследований к промышленному применению. Получение сертификата СТ KZ подтвердило соответствие продукции высоким национальным стандартам и стало значимым шагом в развитии солнечной энергетики в Казахстане.

Физико-технический институт гордится вкладом казахстанских ученых в развитие возобновляемой энергетики. Значительный вклад в исследования в этой области внесли ведущие специалисты, среди которых доктор физико-математических наук С. Ж. Токмолдин, PhD Н. А. Чучвага, PhD Н. С. Токмолдин, В. В. Клименов, И. С. Невмержицкий, PhD К. П. Аймаганбетов, К. С. Жолдыбаев, С. Р. Жантуаров, PhD А. К. Шонгалова и другие.

Сегодня одним из ключевых направлений исследований института стали перовскитные солнечные элементы. Эти инновационные фотоэлементы привлекли внимание мировой научной общественности благодаря сочетанию высокой эффективности и доступности производства. В отличие от традиционных кремниевых солнечных батарей, перовскитные фотоэлементы создаются с применением органических соединений, что делает их производство менее затратным.

Однако перед этой технологией стоят серьезные вызовы. Главная проблема - быстрая деградация. Если классические кремниевые солнечные панели теряют около 10% мощности за 25 лет эксплуатации, то перовскитные аналоги могут потерять до 80% за сутки. Устранение этого недостатка - одно из важнейших направлений современных исследований, и, несмотря на сложности, ученые уверены, что за перовскитными солнечными элементами будущее.

Также ФТИ работает над технологией производства и очистки кремния из песков Казахстана. В развитие этой тематики время и душу, опыт и знания вложили такие ученые, как академик, доктор физико-математических наук Б. Н. Мукашев, Г. Н. Чумиков, С. Н. Тараканова, Н. М. Кислякова, Ю. А. Таракнов, С. С. Базарбаев, кандидат физико-математических наук А. С. Серикка- нов и другие. Одной из разработок последних лет является получение кремния электронного качества из шлаков. По результатам исследования, проведенного в рамках проекта, разработана эффективная технология получения и очистки кремния, которая позволит раз-работать метод производства высокочистого кремния для солнечной энергетики. Такой метод обеспечит низкую себестоимость процесса и будет экологически чистым, соответствуя современным требованиям к устойчивым технологиям. Шлак, полученный в процессе получения кремния, может быть использован для получения шлакощелочного цемента высоких марок.

Лабораторная технология производства дешевого кремния имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами очистки. Она требует меньше этапов для достижения высокой чистоты кремния, что значительно ускоряет процесс очистки. Помимо сокращения времени, эта технология обеспечивает снижение себестоимости за счет оптимизации ресурсов. Важным аспектом является ее экологическая безопасность, что делает процесс более чистым и минимизирует воздействие на окружающую среду. В итоге это позволяет получать кремний солнечного качества с минимальными затратами и воздействием на природу.

Также одним из перспективных направлений физико-технического института является работа в области накопителей энергии. В числе перспективных тем следует отметить redox, проточные ванадиевые накопители энергии. Руководителем проектов по этой тематике является А. Г. Умирзаков.

REDOX - это экологически чистый аккумулятор большой емкости, способный к глубокой зарядке и разрядке. Он использует различнуюи химическую потенциальную энергию ионов ванадия в разных состояниях окисления для сохранения энергии и обладает высокой эффективностью заряда и разряда. Преимущество высокой безопасности заключается в том, что емкость может быть увеличена с увеличением резервуара для хранения жидкости, а электролит может быть использовании повторно.

При использовании растворов ионов ванадия V(II)/V(III) и V(IV)/V(V) в качестве положительного и отрицательного электролитов батареи стандартная разность потенциалов батареи может достигать 1,26 В, что позволяет использовать ванадий в качестве материала для хранения энергии (Рисунок 1).

Преимущество

• Пожаробезопасно

Активный материал ванадиевой редокс-батареи хранится в отдельных резервуарах для хранения жидкости за пределами в виде водного раствора. Опасность взрыва или пожара отсутствует. Нет опасности даже при смешивании положительного и отрицательного электролитов. Невзры- вающаяся батарея - наиболее заметное преимущество ВРБ по сравнению с другими электрохимическими батареями.

• Длительный срок службы

Положительный активный материал и отрицательный активный материал ВРБ находятся в положительном и отрицательном электролитах соответственно. В процессе зарядки и разрядки не происходит смены фаз. Батарея может быть глубоко разряжена без повреждения.

Жизненный цикл батареи может достигать 20 лет. В настоящее время модуль ВРБ с самым длительным временем работы в коммерческой демонстрации энергосистемы канадской компании VRB работает в нормальном режиме уже более девяти лет, при этом срок службы цикла заряда и разряда составляет более 18 000 раз, что значительно выше, чем у литиевых и свинцово-кислотных аккумуляторов.

•             Легко реализовать крупномасштабное хранение энергии

Мощность и емкость ванадиевой редокс-батареи зависят от размера стека, объема и концентрации электролита соответственно. Увеличение концентрации электролита позволяет повысить мощность, а увеличение объема электролита - удвоить мощность. Поэтому ванадиевые ре- докс-аккумуляторы можно использовать в крупномасштабных электростанциях для хранения энергии мощностью в сотни мегаватт.

Недостатки

•             Низкая плотность энергии

Из-за относительно большой атомной массы ванадия плотность энергии ванадиевой редокс-батареи обычно составляет всего от 12 до 40 Вт-ч/кг, что ниже плотности энергии литиевой батареи, составляющей от 80 до 300 Вт-ч/кг.

Поэтому для достижения одинакового запаса энергии плотность энергии ванадиевой редокс-батареи должна быть гораздо больше, чем у литиевых батарей, а именно в 3-5 раз, что значительно затрудняет применение ванадиевой редокс-батареи в мобильных терминалах и силовых батареях.

•             Низкая эффективность преобразования энергии

Для поддержания потока электролита в ВРБ требуется насос, поэтому потери энергии в ней велики. Эффективность преобразования энергии ванадиево-красной батареи обычно составляет от 70 до 75%, что ниже, чем эффектив-ность преобразования энергии литиевых батарей, которая составляет от 85 до 95%.

• Высокая первоначальная стоимость установки

Первоначальная стоимость установки ванадиевой редокс-батареи в основном состоит из стека и электролита. Сырьевые материалы относительно дороги. Кроме того, развитие индустрии ванадиевых редокс-аккумуляторов идет относительно медленно, а промышленная цепочка несовершенна. В настоящее время первоначальная стоимость установки составляет от 252 до 400 тенге/час. В сравнении с литиевыми батареями, это более чем в два раза превышает первоначальную стоимость батареи, но в долгосрочной работе эти показатели компенсируются.

СРАВНЕНИЕ МЕЖДУ ВРБ И ДРУГИМИ ОСНОВНЫМИ БАТАРЕЯМИ

Ванадиевые редокс-аккумуляторы обладают большими преимуществами по сравнению с литиевыми, свинцово-кислотными и другими с точки зрения срока службы, безопасности и стоимости жизненного цикла, однако они все еще находятся в относительно невыгодном положении с точки зрения плотности энергии, энергоэффективности и других критериев.

Принцип работы ванадиевой редокс-батареи отличается от принципа работы литиевой батареи.

Ванадиевая окислительно-восстановительная батарея имеет два электролита: один - для положительного, другой - для отрицательного электрода. Ток формируется за счет повышения и понижения валентного состояния ионов ванадия, в то время как в литиевой батарее ток формируется в основном за счет переноса ионов.

Электролит ванадиевой редокс-батареи хранится в специальных резервуарах положительного и отрицательного электродов, под действием насоса электролиты перемещаются к положительному и отрицательному электродам стека. Такая конструкция позволяет регулировать емкость ВРБ. Электролиты хранятся отдельно, не вступают в реакцию, за счет этого демонстрируют высокую безопасность. Литиевые батареи значительно уступают ВРБ в этом отношении.

По циклу использования литиевые батареи можно заряжать около 3000 раз, а ВРБ - до 15 000 раз, то есть в пять раз больше.

Кроме того, ВРБ имеет естественную систему жидкостного охлаждения. Во время работы положительный и отрицательный электролиты не только вступают в химические реакции, но и отводят тепло, генерируемое стеком, поддерживая батарею в состоянии умеренного нагрева. Литиевые батареи обладают относительно низкой стабильностью при длительной зарядке, что приводит к нагреву и увеличению вероятности воспламенения.

Видение ФТИ состоит в обеспечении устойчивого развития и конкурентоспособности института как ведущей научной и инновационной организации; интеграции в мировое сообщество на основе повышения количества и качества публикаций в зарубежных изданиях с высоким импакт-фактором.

Миссия ФТИ заключается в проведении широкого спектра фундаментальных и прикладных исследований в области физики твердого тела и полупроводников, альтернативной энергетики, материаловедения, нанонауки, физики высоких энергий и космических лучей; разработке на этой основе новых образцов и технологий с последующим их внедрением в научные исследования и производство в интересах социально-экономического развития Республики Казахстан; увеличении портфеля научных проектов за счет участия института в реализации государственных грантов, а также привлечения внешних проектов в части реализации научно-технологических программ по темам НИР/НИОКР.