Б.Нарандалай: Нүүрснээс нэмүү өртөг шингэсэн цахилгаан энерги хадгалах төхөөрөмж үйлдвэрлэх боломжтой

Манай улс нүүрсний арвин их нөөцтэй бөгөөд өмнөд хөрш рүү түүхий нүүрсийг их хэмжээгээр экспортлодог. Хэрэв нүүрсээ боловсруулж нэмүү өртөг шингэсэн бүтээгдэхүүн гаргаж экспортловол түүнээс хэд дахин өндөр өртөгөөр борлуулах боломж байгаа юм. Энэ талаар  ШУА-ийн Хими, химийн технологийн хүрээлэнгийн Органик бус химийн лабораторийн эрдэм шинжилгээний ажилтан, доктор (Ph.D) Б.Нарандалайтай ярилцлаа.

-Түүхий нүүрсний шууд экспортоос илүүтэй бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэж гаргах нь  мэдээж ашигтай. Үнэ өртөг, эдийн засгийн талаас хийсэн тооцоолол бий юу?

-Одоогийн байдлаар өмнөд хөрш рүү экспортолж байгаа чулуун нүүрс, антрацит 1 тонн нь 125-430 ам.долларын үнэтэй байна. Хятадын зах зээл дээр антрацитаас гаргасан идэвхжүүлсэн нүүрс 1 тонн нь 500-3200 ам.доллар, харин уг идэвхжүүлсэн нүүрсээр хийсэн гэрэлтүүлэг, системийн энергийн эх үүсвэрийн зориулалттай цахилгаан конденсатор (EDLC, 100F, 120F)-ийн үнэ 1 ширхэг нь 1.94-2.06 ам.доллар үнэтэй байгаа. Үүнээс үзвэл хэрэв бид түүхий нүүрсээ идэвхжүүлсэн нүүрс болгон үйлдвэрлэвэл уг бүтээгдэхүүний үнэ түүхий нүүрсний үнээс 4–7 дахин их нэмүү өртөг шингэсэн бүтээгдэхүүн болох юм. Харин нэг ширхэг цахилгаан конденсаторт маш бага хэмжээний (1–2г) идэвхжүүлсэн нүүрс ордог тул энэ бүтээгдэхүүн нь түүхий боловсруулаагүй нүүрсний үнээс хэд дахин нэмүү өртөг шингэсэн бүтээгдэхүүн болох боломжтой.

-Та энэ чиглэлээр судалгааны ажил хийж, эрдмийн зэрэг хамгаалсан хүн. Таны судалгааны чиглэл болоод үр дүн ямар байв, судалгаагаа эндээ үргэлжлүүлж, үр дүнгээ практикт нэвтрүүлэх боломж бий юу?

-Тиймээ, миний бие 2016 онд Солонгосын Чоннамын Улсын Их сургуульд “Монгол орны антрацит нүүрснээс гарган авсан идэвхжүүлсэн нүүрсийг энерги хадгалах төхөөрөмжид ашиглах, байгаль орчны бохирдлоос хамгаалах” гэсэн сэдвээр химийн ухааны докторын зэрэг хамгаалсан. Уг ажлаар Монгол орны антрацит нүүрснээс сайн чанарын идэвхжүүлсэн нүүрсийг гарган авах технологийн горимыг тогтоож, цаашлаад идэвхжүүлсэн нүүрсийг хэрэглээ тус бүрт нь тохирсон шинж чанартайгаар боловсруулан гарган авч дараах хэрэглээнүүдэд ашиглах боломжуудыг судалсан байгаа. Тухайлбал, арьс шир, ноос ноолуурын үйлдвэрийн хаягдал усан дахь синтезийн будагч бодисуудыг шингээн салгах боломжийг тогтоосон; Байгалийн хий шингээсэн судалгаа нь байгаль орчинд хорт хий бага ялгаруулах, байгалийн хийн түлшээр ажилладаг автомашины түлшний савны багтаамж, овор хэмжээг багасгах төдийгүй хий хадгалах, тээвэрлэх нөхцлийг сайжруулсан ажил болсон. Мөн цахилгаан энерги шингээх, салгах туршилт судалгаа хийсэн нь цахилгаан энергийг хадгалах, дамжуулах конденсаторын электрод бэлтгэх боломжтой болохыг тогтоосон зэргүүд юм. Эдгээрийг үргэлжлүүлэн судалж байгалийн хийн шингээлт, хадгалалтаас бусад хэрэглээнүүдийг хэрэгжүүлэх, ашиглагдах арга, техникийг нутагшуулах боломжтой. Бид нүүрсний нөөц ихтэй, нүүрсний боловсруулалтын чиглэлээр туршилт, судалгаа хийдэг лабораториуд, эрдэмтэн, судлаачид, боловсон хүчний хувьд хангалттай бэлтгэгдсэн. Гэвч манайд идэвхжүүлсэн нүүрсний үйлдвэр байхгүй байгаа нь харамсалтай санагддаг. Манай улсад одоогоор нүүрсийг угаах, баяжуулах зэрэг анхан шатны үйлдвэрүүд байна. Нүүрсийг “хар алт” гэж ярьдаг ч манайд эрчим хүчний үйлдвэрлэлд ашиглахаас бусдаар бүрэн гүйцэд боловсруулах үйлдвэрүүд байхгүй. Нүүрсийг бүрэн цогцоор нь гүн боловсруулах үйлдвэртэй болоход их хэмжээний хөрөнгө оруулалт, зардал шаардагдах нь тодорхой. Харин идэвхжүүлсэн нүүрсний үйлдвэр гүн боловсруулах үйлдвэрээс хямд, хялбар тоног төхөөрөмж шаарддаг тул манай улсад энэ чиглэлийн үйлдвэр байгуулах бүрэн бололцоо бий л гэж боддог.

-Цахилгаан энерги хадгалах төхөөрөмж гэж юу вэ. Энэ талаар уншигчдад тайлбарлаж өгөөч?

-Цахилгаан техникт хамгийн чухал материал бол цахилгаан дамжуулагчид байдаг. Цахилгаан дамжуулагч материалуудад бараг бүхий л металлууд ордог бөгөөд тэдээрийг металл биш хайлш, чулуу, нүүрс, мөн бал хөө зэргийг хооронд нь хольж цахилгаан техникт электрод болгон ашиглана. Цахилгаан энерги хадгалагч, дамжуулагч төхөөрөмж буюу суперконденсатор нь гүйдлийн нягт өндөртэй, цахилгаан химийн тогтворжилт сайтай, байгаль орчинд ээлтэй, үнэ хямд төхөөрөмж. Энэ конденсаторын электродод нүүрсэн материалууд болох идэвхжүүлсэн нүүрс, нүүрстөрөгчийн нано хоолой, графен, нүүрснээс гарган авсан карбидууд, түүнчлэн мангани, литий, төмөр, кобальт гэх мэт шилжилтийн металлууд, мөн дамжуулагч полимеруудыг ашигладаг. Эдгээрээс нүүрсэн материалууд нь хүчиллэг орчинд эерэг электродын материал болдог бол шүлтлэг орчинд сөрөг электродууд болох маш сайн шинж чанарыг харуулдаг онцлогтой. Энэ нь хүчиллэг электролитийн орчинд электродын гадаргуу дээр устөрөгчийн ионы шингээлт явагдсанаар цахилгаан цэнэгийн хос үеийг үүсгэдэг тул хос үет цахилгаан конденсаторт  гол төлөв хэрэглэгддэг байгаа.

-Хос үет цахилгаан конденсаторын талаар жаахан дэлгэрүүлээхгүй юу. Тухайлбал, ажиллах зарчим болоод түүний хэрэглээний талаар?

- Хос үет цахилгаан конденсатор буюу electric double layered capacitor (EDLC) нь цахилгаан хадгалах багтаамж ихтэй, энергийн нягт өндөр, богино хугацаанд цэнэглэгдэх чадвартай, ажлын цэнэгийн нягт их байдаг. Үүгээрээ цахилгаан конденсатор, хоёрдогч зай хоёрын хосолсон завсрын шинж чанарыг харуулдаг давуу талтай. ЕDLC-ийн ажиллах механизм нь идэвхжүүлсэн нүүрсэн гадаргуутай электрод болон электролит уусмалын хоорондын электрохимийн процессоор электрон шингээж цахилгаан энерги хуримтлуулдагт оршдог. Идэвхжүүлсэн нүүрс нь сүвэрхэг материал учир шингээлтийн хувийн гадаргуугийн талбай ихтэй, цахилгаан химийн урвалд тогтвортой, нягт сайтай зэрэг шинж чанаруудтай тул цахилгаан энерги шингээн хадгалах багтаамж сайтай, олон удаагийн цэнэглэлтэд тэсвэртэй зэрэг олон давуу талуудтай. Орчин үед байгалийн нүүрснээс гарган авсан идэвхжүүлсэн нүүрсээр хийсэн электродыг төрөл бүрийн зориулалт бүхий цахилгаан конденсатор, супер конденсатор, хоёрдогч батарей зэрэгт ашиглаж байна. Харин цахилгаан конденсаторыг сэргээгдэх эрчим хүч, цахилгаан ба гибрид автомашин, цахилгаан шат, принтер, гар утас, гэрэлтүүлэг зэрэг бусад электроникийн болон эрчим хүчний салбарт энерги хадгалах, системийн энергийн нөөц эх үүсвэр зэрэг дэвшилтэт технологиудад ашигладаг. Тодруулбал, бүх төрлийн гибрид автомашинуудад хэрэглэгддэг хоёрдогч батарейнуудад EDLC-ийг нэмж суурилуулдаг болсон. Энэ нь маш богино хугацаанд хурд авах болон өгсүүр замаар явахад нэмэлт хүч, энергиэр хангадаг.

-Манай оронд цахилгаан конденсаторт ашиглаж болох нүүрсний нөөц хэр байдаг вэ. Энэхүү конденсаторыг гаргахад нүүрсний шинж чанар нөлөөтэй юу?

-Манай улс нүүрсний нийт батлагдсан нөөцөөрөө дэлхийд эхний 23-т ордог. 2019 оны байдлаар 15 сав газар, 300 орчим орд, илрэл бүртгэгдсэн ба батлагдсан нийт нөөцийн 68.4% нь хүрэн нүүрс, 31.2% нь чулуун нүүрс, 0.3% нь антрацит байна гэсэн статистик мэдээ бий. Нүүрсийг үндсэн элемент-нүүрстөрөгчийнх нь агуулгаас хамааруулаад хүрэн нүүрс (C-65-72%), чулуун нүүрс (C-76-90%), антрацит (C-90-95%) гэж ангилна. Нүүрсний цахилгаан дамжуулах чанар нь даралт, температур, чийгийн агуулга зэрэг хэд хэдэн хүчин зүйлсээс хамаарахаас гадна түүний гол бүрдэл элемент болох нүүрстөрөгчийн агуулга ихээхэн нөлөөтэй. Өөрөөр хэлбэл нүүрсний нүүрстөрөгчийн агуулга нэмэгдэхийн хэрээр цахилгаан энерги хадгалах чадвар нэмэгдэнэ гэсэн үг. Тиймээс цахилгаан энерги хадгалах, дамжуулах үүрэг бүхий цахилгаан конденсаторт хамгийн сайн чанарын буюу нүүрсжилтийн зэрэг өндөр, нүүрстөрөгчийн агуулга ихтэй чулуун нүүрс, түүнчлэн антрацитыг ашиглах нь илүү үр бүтээмжтэй.

-Цахилгаан конденсаторт ашигладаг идэвхжүүлсэн нүүрсийг байгалийн нүүрснээс гадна өөр эх үүсвэрээс гаргаж болох уу. Манай нүүрснээс гаргасан идэвхжүүлсэн нүүрсний шинж чанар ямар байдаг вэ?

-Болноо. Ерөнхийдөө EDLC-ийг 1990-ээд оны дунд үеэс гадны судлаачид, инженерүүд эрчимтэй судлан электродоор ихэвчлэн мод, үр тарианы хаягдал зэрэг биомассуудаас гарган авсан идэвхжүүлсэн нүүрсийг ашигласан байдаг. Эдгээр биомассуудаас гарган авсан идэвхжүүлсэн нүүрс нь үнэ өртөгийн хувьд хямд боловч физик бүтцийн хувьд хөнгөн хөвсгөр байдаг учир олон удаагийн электрохимийн процессын явцад цахилгаан энергийн тогтворжил муу, энерги хадгалах чадвараа амархан алддаг. Өөрөөр хэлбэл, нягтаршил муутайгаас болж цэнэглэх/цэнэг алдах явцад нүүрсэн электродын бүтцэд эвдрэл үүсч цахилгаан дамжуулах, хадгалах чадваргүй болдог нь учир дутагдалтай юм. Ямарваа нэг бүтээгдэхүүнийг үйлдвэрлэхийн тулд аль болох хямд, хялбар технологийг ашиглах нь тухайн бүтээгдэхүүнийг үйлдвэрлэх зардлыг бууруулдаг. Үүний дээр гарган авч байгаа бүтээгдэхүүний хэрэглээнд нийцсэн байдал, насжилт зэрэг нь хамгийн чухал зүйл юм. Тиймээс электродын материал болгон ашиглах идэвхжүүлсэн нүүрсийг гарган авах анхдагч түүхий эдээс нь эхлэн сонгох хэрэгтэй болно. Бидний урьдчилсан туршилт судалгаагаар манай орны хагас антрацитаас гарган авсан идэвхжүүлсэн нүүрсэн электрод нь бусад материалаар хийсэн электродуудтай харьцуулахад 1-100 хүртэл давтамжтайгаар олон удаагийн цикл туршилт судалгаанд энергийн багтаамж болон цэнэглэгдэх чадварын хувьд тогтворжилт сайтай байсан. Иймд энэ төрлийн хагас антрацитай ойр дөхөж очих, олдоц ихтэй, сайн чанарын чулуун нүүрс нь энэ чиглэлээр ашиглагдах боломжтой гэж үзэж байгаа. Манай улсын хувьд УИХ-ын 2008 оны 12-р тогтоолоор баталсан Монгол улсын мянганы хөгжлийн зорилтод суурилсан үндэсний  хөгжлийн цогц бодлогод тусгаснаар мэдлэгт суурилсан эдийн засагт шилжих зорилтын хүрээнд нүүрсийг иж бүрэн боловсруулах технологийг эзэмшин, төрөл бүрийн эцсийн бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэж, экспортлох гэж заасны дагуу нүүрсээ боловсруулж, нэмүү өртөг шингэсэн, орчин үеийн дэвшилтэт технологид ашиглах эцсийн бүтээгдэхүүн болгох үйл ажиллагааг эрчимжүүлбэл улс орны эдийн засагт төдийгүй өнөөгийн өндөр технологийн хөгжилтэй эн зэрэгцэх боломжийг бий болгоно гэж харж байна.

-Нүүрснээс гаргасан идэвхжүүлсэн нүүрсийг конденсаторын электродын түүхий эдээр ашиглахаас гадна өөр ямар зорилгоор хэрэглэж болох вэ. Магадгүй идэвхжүүлсэн нүүрс нь гаргах эх үүсвэрээсээ хамаарч хэрэглээ нь өөр байх болов уу?

-Байгалийн нүүрснээс гаргадаг идэвхжүүлсэн нүүрс нь шингээх чадвар бүхий сүвэрхэг гадаргуугийн талбай ихтэй, идэвхтэй функциональ бүлгүүдтэй, бусад шингээгч материалуудтай харьцуулахад дахин сэргээн хэрэглэх боломжтой учир усны бохирдлыг бууруулахад шингээлт/салгалтын процессын өртөгийг багасгах чухал ач холбогдолтой шингээгч материал болж байгаа юм. Тиймээс түүнийг үйлдвэрийн болон ахуйн хаягдал уснаас органик бохирдуулагчид, синтезийн органик будагч бодис, хүнд хортой металлуудыг шингээн салгаж цэвэршүүлэх, ашигт малтмал боловсруулах үйлдвэрт төрөл бүрийн үнэт, ховор металлыг технологийн уусмалаас ялгаж авах, задлан шинжилгээ хийх зэргээр уул уурхайн үйлдвэрлэлийн салбарт өргөнөөр хэрэглэдэг. Сүүлийн үед хатуу болон дизель, бензин зэрэг түлшний хэрэглээг багасгах зорилгоор байгалийн хий, метан, устөрөгчийн хийг эрчим хүч болон машин техникт хэрэглэдэг болсон ба метан, устөрөгчийн хийн ашиглалт, аюулгүй байдалд тохирсон шинэ дэвшилтэт технологиуд хөгжсөөр байна. Энэ шинэ технологид мөн хийг шингээн хадгалахад тохиромжтой, гадаргуугийн талбай ихтэй, сүвэрхэг материалаар идэвхжүүлсэн нүүрсийг нэлээд эрчимтэй судлан, туршсаар байгаа бөгөөд энэхүү технологи нь тун удахгүй хэрэглээнд гарахад бэлэн болж байгаа.

Эх сурвалж: Монгол Улсын Шинжлэх ухааны академи