У статті з нагоди 105-річчя Національної академії наук України та 105-річчя академіка Бориса Євгеновича Патона (1918–2020) науковці Інституту транспортних систем і технологій НАН України (Дніпро) – його директор доктор технічних наук, професор Віктор Дзензерський, заступник директора з наукової роботи кандидат фізико-математичних наук Сергій Бурилов, заступник директора з науково-організаційної роботи доктор фізико-математичних наук Дмитро Редчиць і старший науковий співробітник відділу електрохімічних комплексів і хімічних джерел струму транспортного призначення кандидат фізико-математичних наук В’ячеслав Скосар – розповідають про створення акумуляторної галузі України та перспективи розроблення й виробництва українських систем автономного енерго- і теплопостачання. Автори:
- представляють головні результати фундаментальних наукових досліджень і прикладних запатентованих розробок Інституту, який за дорученням Уряду України та за підтримки Президії НАН України й особисто її Президента у 1962–2020 роках академіка Бориса Євгеновича Патона здійснював наукове керівництво та науковий супровід створення нової акумуляторної галузі країни;
- наводять приклади впровадження результатів наукових досліджень науковців Інституту у виробництво як цивільних, так і спеціальних акумуляторних батарей для бронетанкової техніки (останні успішно випробувано й узято на озброєння української армії);
- описують внесок Інституту у створення в місті Дніпро восьми новітніх високотехнологічних заводів із серійного випуску свинцево-кислотних акумуляторів і супутньої продукції, а також підприємств із переробки й утилізації використаних акумуляторних батарей (ці заводи було побудовано за роки незалежності України, а на їхній основі постала нова галузь економіки країни; протягом останніх років вони забезпечують основні потреби Збройних Сил України у стартерних акумуляторах для військової техніки);
- окреслюють плани Інституту щодо подальшого впровадження патентів, власних «know-how», оригінальних технічних і технологічних рішень у напрямі розроблення та створення новітніх автономних систем енерго- і теплопостачання з використанням вітросонячних установок, теплових насосів і енергонакопичувачів;
- демонструють результати фундаментальних і прикладних досліджень за цим напрямом, а також наводять приклади експериментальних енергоустановок, які вже працюють.
З ім’ям Бориса Євгеновича Патона пов’язані не лише становлення й розвиток Національної академії наук України та її науково-дослідних інститутів, а й плідна робота зі стимулювання й підтримки впровадження наукових досліджень, технічних і технологічних розробок у виробництво. Яскравим прикладом цієї роботи є організація у місті Дніпро Інституту транспортних систем і технологій НАН України та подальша підтримка його діяльності зі створення нових сучасних високотехнологічних підприємств.
Спочатку, 1989 року, відповідно до Постанови Президії АН УРСР було створено Відділення фізико-технічних проблем транспорту на надпровідних магнітах Інституту геотехнічної механіки АН УРСР, а згодом, 1995 року, це Відділення реорганізовано в Інститут транспортних систем і технологій НАН України. Юридично відповідні рішення ухвалювала Президія нашої Академії, але за цим стояла активна позиція Президента Академії Бориса Євгеновича Патона, який завжди помічав прогресивні рухи в науці та всіляко підтримував їх.
Основним завданням новоствореного Інституту став розвиток і підвищення рівня організації фундаментальних і прикладних наукових досліджень і розробок у галузях створення високошвидкісних (до 800 км/год) екологічно чистих магнітолевітуючих наземних транспортних систем (Maglev) і автономних джерел електроживлення транспортних засобів (акумуляторів). Досвід науковців Інституту за останнім науковим напрямом знадобився, коли після розпаду СРСР на території України не виявилося жодного підприємства з виробництва стартерних свинцево-кислотних акумуляторів (всі заводи лишилися за межами країни). У незалежній Україні відчувався гострий дефіцит акумуляторів. Країна повністю залежала від постачань акумуляторної продукції з-за кордону. Імпортована продукція часто була незадовільної якості й не мала гарантій виробника.
 Інститут транспортних систем і технологій НАН України |
Зазначимо, що свинцево-кислотні акумуляторні батареї є невід’ємним компонентом не лише транспортних засобів, використовуваних у промисловості й сільському господарстві, а й у бронетанковій та спеціальній військовій техніці, що робить їх стратегічно важливим виробом для економіки й оборони країни. Через відсутність на території країни підприємств із випуску цієї продукції, Кабінет Міністрів України вже на початку 1990-х років ухвалив низку спеціальних розпоряджень (№121-р і №742-р у 1992 році та №248-р – у 1993 році), спрямованих на створення національного акумуляторного виробництва. Концепцію створення й розвитку цієї нової галузі промисловості України було доручено розробити і втілити у життя вченим Національної академії наук України, зокрема науковцям Інституту транспортних систем і технологій НАН України.
Розроблену під керівництвом директора Інституту Віктора Олександровича Дзензерського концепцію становлення й розвитку нової галузі промисловості України з виробництва свинцево-кислотних акумуляторних батарей планувалося реалізовувати у дві черги:
- перша черга – створення багатосерійного виробництва за повним циклом малообслуговуваних стартерних батарей для автомобільної та автотракторної техніки і заводу з переробки використаних батарей, відходів і лому свинцю;
- друга черга – створення багатосерійного виробництва за повним циклом герметичних і герметизованих (безуходних, необслуговуваних) батарей нового покоління для всіх галузей національної економіки і Збройних Сил України.
Реалізація цієї концепції, розробленої на фундаментальній науковій основі з урахуванням передового світового досвіду, дістала підтримку академічних кіл, особисто Бориса Євгеновича Патона, місцевих і центральних органів влади. Концепцію почали втілювати в життя під науковим керівництвом співробітників Інституту і за участі вчених Відділення механіки НАН України – науковців Інституту геотехнічної механіки НАН України, Інституту технічної механіки НАН України й Інституту проблем природокористування та екології НАН України. Під час реалізації першої черги концепції було розроблено перші в Україні малообслуговувані стартерні свинцево-кислотні акумуляторні батареї з високими питомими енергетичними характеристиками та проєкт апаратурної реалізації стабільного технологічного процесу, який відрізняється високим рівнем автоматизації (до 96%) і безпеки. Будівництво першого українського акумуляторного заводу «ІСТА» почалося 1994 року за розпорядженням Кабінету Міністрів України, а вже у вересні 1995 року завод було введено до експлуатації (завод № 1). Річний обсяг виробництва сягнув 1,3 млн акумуляторних батарей, призначених для використання практично в усіх видах автомототехніки, сільськогосподарської та військової техніки.
Особливо гостро тоді стояло питання підтримки боєготовності української армії в частині забезпечення її бойових підрозділів акумуляторною продукцією спеціального призначення. На замовлення Міністерства оборони України в Інституті якнайшвидше розробили, створили й запатентували акумуляторні батареї для танків і легкої бронетанкової техніки. Тісна співпраця вчених і виробничників дала змогу всього за 5 місяців пройти шлях від розроблення до серійного випуску цих акумуляторів. Батареї було успішно випробувано і взято на озброєння української армії, а четверо вчених Інституту отримали Державну премію України в галузі науки і техніки.
2000 року в Дніпрі було збудовано другий акумуляторний завод потужністю 1 млн батарей на рік (завод № 2), на якому вперше серед країн СНД і Східної Європи реалізовано нові запатентовані вченими Інституту високоточні технології виробництва електродів зі свинцевої стрічки, технології виробництва нових ефективних свинцевих сплавів і високоточного прокату стрічки з цих сплавів.
2001 року на виконання урядових рішень і з використанням науково-технічних розробок Інституту в Дніпрі збудували завод із переробки використаних акумуляторів, відходів і лому свинцю в свинцеві сплави та свинець – потужністю до 30 тис. тонн на рік (завод № 3).
 Президент Національної академії наук України Борис Патон і директор Інституту транспортних систем і технологій НАН України Віктор Дзензерський під час вручення Державної премії України в галузі науки і техніки (1999 рік) |
Створення цих трьох заводів успішно завершило реалізацію 1-ї черги концепції становлення нової галузі промисловості в Україні. Це мало, серед іншого, важливе соціальне значення – завдяки створенню нових робочих місць, значним податковим платежам, а також створенню екологічно важливого виробництва з утилізації токсичних відходів, що відповідає європейським і світовим тенденціям розвитку акумуляторної промисловості.
Для подальшого розвитку нової галузі промисловості України 2002 року з ініціативи вчених Інституту було створено Міжнародну науково-промислову корпорацію «Вітроенергетичні сонячні технології акумулюючі» (МНПК «ВЕСТА»). Постановами Кабінету Міністрів України від 27.08.2002 р. № 1244 та від 17.03.2003 р. № 352 на МНПК «ВЕСТА» було покладено реалізацію пілотного інноваційного проєкту «Розробка і виробництво новітніх автономних інтегрованих систем електропостачання з використанням сонячних енергетичних систем, вітроустановок і енергонакопичувачів», а на Інститут транспортних систем і технологій НАН України – наукову координацію робіт із реалізації цього проєкту, визнаного «пріоритетним і особливо важливим для держави». Проєкт потужно підтримав Президент НАН України Борис Євгенович Патон, тому заявником проєкту став Технопарк «Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона». Останнє суттєво полегшило виконавцям проєкту ввезення з-за кордону високотехнологічного обладнання, виготовленого іноземними фірмами за технічними завданнями вчених Інституту та фахівців корпорації.
Виконання цього проєкту ознаменувало початок другого етапу розвитку акумуляторної галузі України, пов’язаного з розробленням автономних систем енергозабезпечення з використанням вітросонячних джерел енергії та енергонакопичувачів, створенням повномасштабного інноваційного виробництва акумуляторних батарей і акумуляторів-енергонакопичувачів сучасного типу, які не мають аналогів в Україні та Східній Європі.
На виконання проєкту й вищезгаданих постанов Кабінету Міністрів України в Інституті інтенсифікувалися теоретичні й експериментальні дослідження у галузі розроблення свинцево-кислотних акумуляторів, які є накопичувачами енергії в будь-якій автономній енергосистемі, а також за такими науковими напрямами, як вітроенергетика та сонячна енергетика.
На основі досвіду, набутого під час практичної реалізації та впровадження попередніх розробок, учені Інституту створили нове покоління конструкцій герметичних необслуговуваних і герметизованих свинцево-кислотних стартерних, тягових і стаціонарних батарей із підвищеними питомими енергетичними характеристиками, а також розробили нові оригінальні технології отримання сплавів для струмовідводів акумуляторних батарей, паст для електродів, дозрівання й сушіння пастованих електродів, складання акумуляторних батарей, формування батарей, тестування готових акумуляторів та інші технології, що відрізняються від відомих високим ступенем безперервності, безвідходності, замкнутості технологічного процесу, високою точністю виготовлення електродів і міжелементних з’єднань, високою чистотою та корозійною стійкістю активних матеріалів. Крім того, науковці Інституту розробили технології переробки й утилізації свинцево-кислотних акумуляторів, які відпрацювали свій ресурс. Під час виконання пілотного інноваційного проєкту ці розробки було впроваджено у виробництво та створено цілу низку нових автоматизованих високотехнологічних заводів.
2005 року було збудовано та введено до експлуатації ПАТ «ВЕСТА-ДНІПРО» – сучасний високотехнологічний завод з виробництва герметичних і герметизованих (безуходних, необслуговуваних) стартерних акумуляторних батарей нового покоління потужністю 3,6 млн виробів на рік (завод № 4). На цьому підприємстві вперше в європейській практиці використали нову високоточну технологію безперервного виготовлення струмовідводів, що передбачає двостороннє охолодження свинцевого сляба, прокатку стрічки і штампування решіток, а також прискорені технології батарейного формування акумуляторів імпульсними струмами і технології формування з примусовою керованою циркуляцією електроліту.
Того ж року з’явився й завод із виробництва корпусів і пластмасових комплектуючих для акумуляторів і акумуляторних батарей (завод № 5), де впровадили нові технічні рішення щодо конструкцій та промислового дизайну акумуляторної продукції.
2009 року збудували та ввели до експлуатації ТОВ «ВЕСТА IНДАСТРIАЛ» – новий автоматизований завод із виробництва герметичних і герметизованих акумуляторів усіх типів (стартерних та індустріальних) потужністю 4 млн виробів на рік (завод № 6). Поряд із впровадженням новітніх технічних і технологічних рішень, запатентованих ученими Інституту, на цьому заводі вперше в Україні організували випуск за повним циклом тягових батарей для електротранспорту.
Нестандартне устаткування й оснащення, потрібні для комплектації дніпровських акумуляторних заводів, а також експериментальні зразки вітросонячних енергетичних установок виготовили на інструментальному виробництві ПАТ «ВЕСТА-ДНІПРО», яке 2012 року виросло до розмірів окремого Інструментального заводу (завод № 7).
Ще один завод – ТОВ «Рекуперація свинцю» з переробки й утилізації відпрацьованих акумуляторів і виробництва свинцю та свинцевих сплавів із передовими технологіями й новітнім технологічним устаткуванням – було введено до експлуатації у вересні 2012 року (завод № 8). На цьому заводі вперше в Україні реалізували розроблені науковцями Інституту технології повної переробки й утилізації акумуляторів, що відпрацювали свій ресурс, тобто не лише відходів, які містять свинець, а й пластмасових корпусів та електроліту. Завод розраховано на переробку 3 млн (40 000 т) використаних батарей на рік, його продуктивність – 22 000 т товарної продукції у вигляді свинцю та свинцевих сплавів, а також супутньої продукції – вторинного поліпропілену й сульфату натрію.
Нині номенклатура акумуляторної продукції нових заводів налічує 58 типорозмірів свинцево-кислотних акумуляторних батарей ємністю від 40 до 225 А·год і напругою 6, 12 і 24 В. Такі акумулятори є продукцією подвійного призначення – цивільного та військового. Підкреслимо, що всі заводи у Дніпрі було побудовано без залучення бюджетних коштів, а завдяки введенню цих заводів в експлуатацію вдалося забезпечити високоякісною акумуляторною продукцією практично всі галузі економіки країни. Крім того, протягом останніх років українські заводи забезпечують основні потреби Збройних Сил України у стартерних акумуляторах для військової техніки.
Отже, під науковим керівництвом і за безпосередньої участі вчених та інженерів Інституту й за підтримки Президента НАН України Бориса Євгеновича Патона в 1994–2012 роках у Дніпрі було спроєктовано, побудовано й обладнано 8 сучасних високотехнологічних заводів – 4 заводи з виробництва свинцево-кислотних акумуляторних батарей потужністю близько 10 млн батарей на рік, 2 заводи з переробки й утилізації використаних батарей та 2 заводи з виробництва суміжної продукції. Всі технологічні переділи цих заводів і конструкції акумуляторних батарей, що випускаються, було запатентовано понад 200-ми патентами України. Це створило нову наукоємну, імпортозамісну галузь промисловості незалежної України з виробництва хімічних джерел струму. Побудовані в Дніпрі заводи у 1995–2022 роках виготовили загалом понад 58 млн акумуляторних батарей і 300 тис. т вторинного свинцю та свинцевих сплавів, 1000 т вторинного поліпропілену, 3000 т сульфату натрію на суму понад 16 млрд грн. Значна частина цих коштів надійшла до державного бюджету України. Крім того, створено близько 10 тис. робочих місць і підвищено екологічну захищеність довкілля завдяки переробці й утилізації акумуляторів, що відпрацювали свій ресурс.
 Промислові підприємства акумуляторної галузі України, створені під науковим керівництвом і за безпосередньої участі вчених та інженерів Інституту транспортних систем і технологій НАН України |
 Продукція нової акумуляторної галузі України |
Додамо, що під час виконання пілотного інноваційного проєкту, поряд зі створенням акумуляторних виробництв, учені Інституту здійснили чимало фундаментальних і прикладних досліджень у напрямі розроблення й удосконалення систем автономного електропостачання із застосуванням вітроелектричних установок, сонячних та інтегрованих вітросонячних енергетичних систем. Зокрема, виконано теоретичні дослідження динаміки й аеродинаміки вертикально-осьових вітроенергетичних установок з роторами Дар’є та Савоніуса. Для цього на базі осереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав’є-Стокса нестисливої рідини та рівняння обертання твердого тіла відносно нерухомої осі було побудовано математичну модель, а також створено програмно-методичне забезпечення для спільного моделювання процесів аеродинаміки та динаміки роторів вертикально-осьових вітроенергетичних установок. Здійснено також теоретичні дослідження фотоелектричних перетворювачів на основі тонкоплівкових аморфних напівпровідникових сполук і/або кристалічного кремнію з додаванням наночастинок алюмінію.
Окрім цього, під науковим і технічним керівництвом фахівців Інституту створено експериментальну базу для дослідження й розроблення автономних систем електропостачання з використанням поновлюваних джерел енергії вітру й сонця, на якій відпрацьовано всі елементи цих систем. Зокрема, спроєктовано, виготовлено та введено у дослідну експлуатацію автономну горизонтально-осьову вітроелектричну установку потужністю 5 кВт з оригінальним електромагнітним багатополюсним генератором на постійних супермагнітах, автономну вертикально-осьову вітроелектричну установку потужністю 20 кВт з Н-ротором Дар’є; виготовлені й експлуатуються фотоелектричні установки для вуличного освітлення. Крім того, розроблено, створено і запатентовано трекер для сонячних батарей, який дає змогу здійснювати їхню поточну орієнтацію на Сонце впродовж світлового дня. З використанням цього винаходу розроблено та виготовлено інтегровану вітросонячну енергетичну систему потужністю 6,5 кВт, яку зараз тестують як автономну станцію для заряджання електромобілів.
 Автономна вертикально-осьова вітроелектрична установка потужністю 20 кВт з акумуляторами-енергонакопичувачами, виготовлена за розробками Інституту транспортних систем і технологій НАН України |
 Експериментальна автономна вітросонячна енергетична установка потужністю 6,5 кВт, виготовлена за розробками Інституту транспортних систем і технологій НАН України, та приклад її застосування як зарядної станції для електромобілів |
Плани подальшого впровадження патентів, власних «know-how», оригінальних технічних і технологічних рішень учених Інституту пов’язані з відновленням енергетичної інфраструктури країни, зруйнованої під час військового вторгнення російської федерації на територію незалежної України. Інститут враховує, що через бойові дії енергетичну інфраструктуру суттєво пошкоджено, а це призвело до значного дефіциту енергії в електромережах країни та систематичних тривалих і аварійних відключень електроенергії у промисловому, комунальному й житловому секторах нашої країни. Ситуація, що склалася, потребує не лише відновлення постраждалих генерувальних і розподільчих об’єктів енергосистеми, а й впровадження альтернативних рішень у галузі енергетики задля більшої автономності й безперебійності енергозабезпечення локальних об’єктів в Україні.
Інститут транспортних систем і технологій НАН України має багаторічний досвід розроблення та практичної реалізації масштабних проєктів зі створення вертикально-інтегрованих виробничих комплексів – від серійного випуску свинцево-кислотних акумуляторних батарей для всіх галузей національної економіки та Збройних Сил України до їхньої повної переробки у цінну сировину. Тому сьогодні Інститут ініціює розроблення Державної програми «Розробка та створення виробництва інтегрованих систем безперебійного електро- та теплопостачання промислових та житлових об’єктів» і готовий очолити роботи з її підготовки. Серед промислових підприємств України партнерами Інституту в реалізації цих планів є Публічне акціонерне товариство «Дніпровський машинобудівний завод» (ПАТ «ДМЗ»), що має виробничі площі та налагоджену інфраструктуру для розміщення нових заводів, і підприємства МНПК «ВЕСТА», які володіють необхідним досвідом у створенні та впровадженні передових технологій. До спільної роботи з розроблення, створення й виконання цієї програми можуть долучатись інші профільні інститути Національної академії наук України.
У підсумку виконання Державної програми в Україні буде побудовано підприємства з виробництва інтегрованих систем безперебійного електро- і теплопостачання, теплових насосів, сонячних і вітроенергетичних установок, а також заводи з виробництва й переробки й утилізації літій-йонних акумуляторних батарей. Це не лише сприятиме підвищенню енергетичної безпеки й обороноздатності України, створенню нових робочих місць, наповненню державного бюджету й поліпшенню стану довкілля, а й відкриє перед Україною нові можливості для розвитку найсучасніших транспортних і енергетичних технологій. Однак реалізація цих планів потребує не лише ініціативної діяльності вчених Інституту транспортних систем і технологій НАН України, а й зацікавленості органів державної влади та підтримки Національної академії наук України, як це було протягом довгих років президентства Бориса Євгеновича Патона.
За інформацією Інституту транспортних систем і технологій НАН України