Как сегодня развивается энергетическая отрасль? Какие существуют новые источники энергии? Можем ли мы сказать, что сжигание угля скоро уйдет в прошлое? А что придет ему на замену? Какое близкое и отдаленное будущее уготовано человечеству? Об этом рассуждает Алексей Михайлович Кашин, директор Института электродвижения МФТИ, основатель компании «ИнЭнерджи», технологический предприниматель, эксперт в области электрохимических технологий, перспективной энергетики и технологического развития.
Энергетика — достаточно косная отрасль, в которой накопился ожидаемый всеми потенциал изменений, очень ярко проявляющийся в последние 10–15 лет и особенно заметный в инфраструктуре, в различных видах транспорта, в сетях. На протяжении последних 100 лет энергетика не претерпевала радикальных изменений: традиционно происходили сжигание ископаемого топлива, развитие электрических сетей. Великие ученые прошлого сегодня не узнали бы многие отрасли: появились мобильные сети, вычислительные гаджеты.
Все знают об электрическом транспорте — сегодня это крупнейший из новых высокотехнологичных рынков, не имеющий равных по объемам и масштабам изменений. Весь транспорт постепенно становится все более электрическим. Речь не о том, что везде будут одни электромобили, но о росте объема электротранспорта. Это касается в том числе и традиционных видов транспорта, так как они содержат в себе все больше компонентов, завязанных на электропривод.
Основной драйвер развития энергетической отрасли — декарбонизация и экологическая повестка. В связи с последними геополитическими событиями их влияние менее заметно, но эти драйверы долгосрочны и определяют вектор развития перспективной энергетики. До сих пор нет окончательно сложившегося мнения о том, обусловлена ли лавина изменений в климате антропогенными факторами, но никто не спорит с тем, что ответ на эти изменения может быть только антропогенным. И это тоже драйвер.
Островизация экономики
Сокращение эмиссии CO₂ позволит снизить скорость климатических изменений, но не остановит их в горизонте ближайших 20–30 лет. В настоящий момент идет «островизация»: сегодня есть, условно говоря, Китай, США и неприсоединившиеся страны. Мы — среди «неприсоединившихся». И мы — одни из самых интересных.
Сегодня нашей стране очень важно формировать свои технологические пакеты, загружать их в повестку и потом в режиме солидарности с другими зонами удерживать и контролировать повестку собственных разработок в области перспективной энергетики. Важно уже сегодня формировать на максимальном количестве рынков, до которых мы сможем дотянуться, то, что можно назвать технологической устойчивостью.
А.М. Кашин: «Я электрохимик, поэтому больше всего люблю электрохимическую энергетику. Ее можно условно разделить на два больших блока: электрохимическую генерацию, или топливные элементы, в том числе водородные, и накопители. В электрохимической энергетике есть два поддомена. Один из них — это преобразование химической энергии соединений в электричество и тепло с высоким КПД. Это разного типа топливные элементы. Мне очень нравятся высокотемпературные, которые работают не только на водороде, но, например, на продуктах распада углеводородного топлива, и твердооксидные высокотемпературные топливные элементы.
А второй блок, или поддомен, — это накопители электроэнергии. Наш проект «Металион», реализуемый на Физтехе, — это опытно-промышленный завод металло-ионных накопителей (литий-ион, натрий-ион и другие типы батарей). Повторю, что этот проект в первую очередь ориентируется на электрический транспорт, и здесь, конечно, уже сформировались просто огромные рынки. Здесь, если сравнивать с другими странами, мы отстаем, нам надо догонять. Но не менее интересно и то, что на этом рынке Европа с США сейчас в непривычной позиции отстающих от КНР, хотя и не так сильно, как мы».
Алексей Михайлович Кашин. Фото пресс-службы МФТИ
Микроэлектроника рулит
Сегодня рынки источников энергии с очень высокой динамикой определяют облик платформенных решений. На этих платформах не так много ключевых компонентов, технологий. И фокус в первую очередь — на источниках энергии. Например, в производстве автомобиля используются разные современные материалы, малотоннажная химия, то есть там много науки.
Второе и самое главное: в городском электромобиле 50% стоимости — аккумулятор или иной источник энергии. Это может быть топливный элемент вместе с аккумуляторной батареей в водородомобиле. И это микроэлектроника.
Все, что эволюционно находится за сжиганием ископаемого топлива, — это преобразование энергии химических соединений. Поэтому слово «топливо» будет постепенно уходить из оборота. По привычке говорят «водородное топливо», но точнее говорить просто «водород».
Это можно показать на примере работы водород-воздушных топливных элементов, просто окисляя водород до воды, и произвести чистую энергию, либо разряжать и заряжать аккумуляторные батареи разных источников энергии и таким образом получать опцию гибкости. Ранее такие деления применялись к кислотным батареям, которые использовались для стартинговых задач. По характеристикам они существенно уступали современным литиевым батареям. Свинец дает порядка 40 ватт-часов на килограмм по энерговооруженности. А литий, который сегодня используется в беспилотных аппаратах, — 250–280 ватт-часов на килограмм. В нашей стране ведутся работы, которые позволят значительно увеличить и эти значения, что, по сути, даст возможность на порядок превзойти энерговооруженность батарей, до сих пор производящихся массово: они дешевые и разом не исчезнут.
Быстрый рынок
Но рынки и источники энергии имеют отличительную черту: у них очень высокая динамика. Каждые два-три года существенно меняются технологии производства, тип электродных материалов, появляются новые добавки в электролит, новые системы безопасности.
В этой области особенно важно иметь собственную линию разработок. Покупать устаревшие, как прошлогодний снег, технологии никакого смысла нет. Пока ты развернешь такую технологию в производство, научишься правильно поставлять в рынок, это уже будет поколение –2, а то и –3. Изначально надо исходить из того, что у нас в стране должны быть своя линия разработок и возможность самостоятельно их масштабировать. Тогда мы можем поставлять на эти рынки свою высокотехнологичную продукцию. Именно это Китай сделал за последние 15 лет.
А.М. Кашин: «В Физтехе мы координируем большую научную программу — дорожную карту развития высокотехнологичного направления ”Системы накопления электроэнергии”. Наша функция состоит в координации всей научно-технической кооперации в стране и за рубежом в интересах создания отрасли. Наш Институт электродвижения МФТИ — это отраслевой институт, главная задача которого — воссоздать отрасль современных электрохимических технологий, источников энергии электродвижения. Мы подходим к этой теме интегрально, поскольку по частям ее сложить не получится. Здесь задача может быть решена только комплексно».
В чем комплексность и уникальность разработок ученых из МФТИ? Во-первых, они активно сотрудничают с партнерами — это химфак МГУ им. М.В. Ломоносова, Сколтех, компания «Унихимтек», занимающаяся электродными материалами, партнеры из Черноголовки, Московский химико-физический институт и целый ряд институтов, в том числе Сибирского, Уральского отделения РАН. Таким образом, они охватывают всю технологическую цепочку начиная с технологии получения исходного литийсодержащего сырья — карбоната лития и гидроксида лития, Li2CO3 или LiOH, это первая стадия данного технологического пакета. Вторая стадия — это производство электродных материалов. На примере литиевых аккумуляторов можно сказать, что для тяжелого транспорта или стационарной энергетики это литий-железофосфат, а для задач, требующих высокой энерговооруженности, — это такие электрохимические системы, как никель-марганец-кобальт на катоде.
Конструктор на участке сортировки аккумуляторов. Фото пресс-службы МФТИ
Природоподобное электричество
А.М. Кашин: «Следующий передел — это аккумуляторная батарея, когда мы собираем в один корпус разные аккумуляторы, и там тоже много технологий, которые мы развиваем. Это и battery management system — система управления, и специализированные решения, позволяющие контролировать заряд-разряд отдельных аккумуляторов и понимать, как они себя ведут, как они стареют электрохимически на всем жизненном цикле. При этом надо понимать, что все химические источники тока природоподобны. Каждая уникальная часть аккумулятора похожа на живую систему. Поэтому важно смотреть, как вольт-амперная характеристика меняется во времени: там очень много того, что связано с интеллектуальным компонентом, позволяющим безопасно получить максимум из электрохимии, продлить срок службы».
Крайний передел — это технология жизненного цикла, рециклинг, то есть повторное использование, все, что связано со «второй жизнью» аккумуляторных батарей. Это задачи, которые могут помочь получать, например, автомобильные батареи для стационарных источников бесперебойного питания. Хотя это спорная тема: аккумуляторы, отслужившие свой срок, не всегда безопасны. Поэтому научный край постоянно отодвигается от исследователей, а они все время пытаются найти что-то новое и улучшить.
Из пробирки — в производство
А.М. Кашин: «В прошлом году мы получили серьезную поддержку от государства, подписано соглашение с правительством РФ о создании отрасли электрохимических накопителей. Как я уже сказал, наш проект — опытно-промышленный завод ”Металион”, в котором МФТИ — один из акционеров. В апреле прошлого года мы делали доклад об этом проекте президенту страны, и нас поддержали. Мы наконец получили адекватный объем инвестиций на реализацию проекта по строительству опытно-промышленного, гибкого, широко номенклатурного ”завода заводов”, призванного ликвидировать разрыв между наукой и большим производством».
Однако тут есть свои подводные камни. Нельзя из пробирок сразу прыгнуть в крупнотоннажное производство. Как правило, это требует других компетенций. Очень важна эта переходная фаза, когда уже имеется технологически большое производство, где используются экономически целесообразные процессы, но при этом оно остается гибким, изначально приспособленным к частой смене технологий. В современной России никогда такого не было, и вот наконец такой завод есть. Его задача — обеспечить постоянную сменяемость технологий.
Что век грядущий нам готовит?
Какое будущее ждет энергетическую отрасль? А.М. Кашин считает, что в ближайшем горизонте каких-то радикальных изменений не предвидится. Эта область очень консервативна. Она будет эволюционировать, но по многим параметрам не сможет перепрыгнуть текущие возможности. Все разговоры о том, что завтра появится какая-то супераккумуляторная батарея для телефона, которая сможет работать 100 лет, что «английские ученые» изобрели вечную батарейку, — это просто разговоры, хотя такие «новости» появляются каждые две недели.
В этом плане перспектива за постлитиевыми системами, за большей сегментацией рынка. Например, очень перспективна тематика натрий-ионных систем. Это гибридные системы, позволяющие сочетать разные типы электрохимии и получать максимум характеристик. Это сочетание разных типов электрохимических устройств — например, топливные элементы плюс аккумуляторная батарея. Постепенно это будет все более отвечать ожиданиям потребителей и энергетика будет становиться все более чистой.
А.М. Кашин: «Мне кажется, это так или иначе происходит уже сегодня, и уровень выбросов ”грязных” энергетических процессов все меньше. Хотя все условно. Например, многие говорят, что большая проблема — утилизация аккумуляторных батарей. Показывают фотографии из Китая, где огромное количество таких свалок. Но мне кажется, что все это временные сложности».
В целом, если говорить о перспективной энергетике, распределенные системы будут играть в нашей жизни большую роль. А.М. Кашин уверен, что с точки зрения рыночного подхода молодые экономики, в первую очередь Африка, будут очень интересным полигоном. Вряд ли там сложится единая экономическая система, массово возникнут сети сплошного покрытия, хотя плотность населения будет расти в ближайшие годы, да и вообще «центр мира» смещается по медиане в Африку. Энергетика в этой стране будет «островного типа», когда велик процент распределенной энергетики.
Перчаточный бокс для работы с электролитами и компонентами для электролитов. Фото пресс-службы МФТИ
Атомная энергетика
А.М. Кашин: «На мой взгляд, у нас очень много возможностей по развитию большой атомной энергетики. Это не моя область, но высокотемпературные газы, охлаждаемые реакторы, совмещенные с водородным циклом, с высокотемпературным электролизом, — это очень интересная вещь. Плюс существует много разработок перспективной энергетики — это следующие поколения современных генерирующих мощностей, которые становятся более маневренными».
Безусловно, для получения гибкости и эластичности накопители будут играть важную роль. Как полагает А.М. Кашин, локальная генерация, распределенная энергетика будут развиваться. «Розетка в поле» при современном уровне развития электрохимических источников энергии будет все более доступна и качественна. Для многих домохозяйств потребность в классических электрических сетях станет не столь очевидной. Условно говоря, если у вас есть источник природного газа, вы вполне можете использовать его не только для того, чтобы греть воду, но и для того, чтобы при этом производить электрическую энергию.
А.М. Кашин: «В Японии есть проект Enefarm. У коллег уже порядка 400 тыс. таких систем в домохозяйствах. Этим занимаются такие крупные компании, как Panasonic, Kyocera. Мы планируем в конце этого года совместно с коллегами из газовой отрасли с участием ”Газпромбанка” запустить такой большой проект. Сейчас эти обсуждения идут, я впервые анонсирую это публично. Мы считаем, что обязаны развернуть такую программу для России с ее огромной территорией, где подобная эффективно распределенная генерация позволит решить множество проблем. Это будущее энергетики».
Если же вернуться к насущным для большинства проблемам — малому персональному транспорту, в том числе к беспилотникам и робототехнике, — то и здесь, по мнению ученого, возможны революционные изменения по применению топливных элементов, когда есть возможность поднять энерговооруженность средств, которые сегодня могут казаться игрушками. Это робототехника разного применения, не только летающая, но водная и наземная. Это и псевдоспутники, где идет гонка за удельную энергию — чем больше количество ватт-часов на килограмм вы можете произвести, тем больший круг задач вы можете решить. И в ряде случаев это может быть «разрушением технологических барьеров».
Водородная энергетика
Сегодня источник энергии определяет облик не только транспорта, но и часто стационарных решений, инфраструктуры. Он радикально меняется, если мы можем не на 10%, а в несколько раз повысить автономность, избавиться от необходимости постоянного обслуживания.
В партнерстве с «Газпромом» ученые из Физтеха приобрели опыт эксплуатации таких систем на магистральных нефтепроводах. Они работают уже на протяжении нескольких лет, при этом не требуя обслуживания: в этих системах нет пар трения, нет систем смазки, они не нуждаются в постоянной замене ГСМ. По сути, это новое поколение энергетики. Такие системы более экологичны, у них выше КПД, выше ресурс и в перспективе они будут ниже по стоимости. Это постепенно и радикально изменит облик малых распределенных систем, весь облик энергетики и персонального транспорта. Здесь огромный потенциал для молодых исследователей. Это многообещающая область. Спрос на такие изменения, на квалифицированных специалистов в ближайшие годы будет только расти.
Для водородной энергетики, безусловно, тоже будет место. Но в ближайшие годы с учетом последних реалий динамичного развития водородной энергетики в крупнотоннажном производстве не предвидится, считает А.М. Кашин. В МФТИ продолжают развивать водородные технологии, собираются создать производство полного цикла. Сегодня такого типа производство — единственное в стране, где водород — воздушный топливный элемент, производимый из своих материалов. Это тоже очень важная тематика, которую, безусловно, нужно развивать, поскольку существует целый ряд оптимальных решений.
Заглядывая далеко вперед
Известно, что академик Николай Семенович Кардашев когда-то создал модели космических цивилизаций, разделив их по типу энергопотребления. Согласно этой градации, наша земная цивилизация относится к низшему типу, потому что мы пока даже не освоили энергию своего светила. А следующие типы цивилизаций, более высокоорганизованные, освоят энергию своей Галактики.
А.М. Кашин: «Все это звучит очень футуристично. Конечно, внутри одной системы можно себе представить такую экспансию на другие планеты. Но мне кажется, что перспективность этой темы несколько преувеличена. На мой взгляд, это очень длинный горизонт и все разговоры о колонизации Марса мало обоснованы.
Мне приходилось рассматривать сложные инженерные конструкции, орбитальные космические станции, и мне кажется, что наиболее сложное из того, что делает человек, — это подводная лодка. Мы уже больше столетия занимаемся развитием разных субмарин, и при этом, несмотря на гораздо более приятную для человека подводную среду, никаких массовых подводных поселений в океане я не наблюдаю. Так же как не наблюдаю в теплой земной коре никаких футуристичных городов. Все наше человеческое копошение происходит на относительно небольшой прослойке — невысоко, неглубоко. Некоторые из нас пытаются прыгнуть выше и дальше, но я далек от пространных рассуждений о том, что все это выведет человечество на какие-то принципиально новые горизонты. Хотя, конечно, мечтать об этом полезно».
Источник фото на слайде и превью: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
