Россия прямо сейчас строит три гигафабрики по производству литий-ионных аккумуляторов — в Калининграде, Москве и Татарстане. Казалось бы, вопрос с энергопереходом решен, но это не так. На V Конгрессе молодых ученых — главном событии Десятилетия науки и технологий — прошла сессия «Энергетика: настоящее и будущее», где этот тезис стал главенствующим.
Пока в Европе киловатт-час стоит 0,36 доллара, у нас он же обходится в 0,07 долларов. Но споры идут не о ценах, а о физических пределах технологий. Собрали самое интересное с дискуссии в этой статье. Читайте и узнаете, почему одной «батарейкой» сыт не будешь.
Мы догоняем, но смотрим на Натрий
Академик Евгений Антипов из МГУ подтвердил то, что многие в зале знали лишь по заголовкам из новостей, что в стране действительно создается новая отрасль:
- Росатом строит гигафабрику в Калининградской области;
- в Москве (Красная Пахра) возводится производство силами частных инвесторов и Сбера;
- на подходе еще один завод в Татарстане.
Но Антипов, как химик, сразу обозначил проблему. Литий-ионные аккумуляторы достигли своего технологического потолка — 300 Вт·ч/кг. Дальше выжимать просто нечего. К тому же, литий дорогой.
Поэтому, пока строители заливают фундаменты под литиевые линии, наука уже работает над натрий-ионными аккумуляторами.
«Натрий дешевле, его много, и такие аккумуляторы не требуют дорогих материалов вроде кобальта. Это идеальное решение для стационарной энергетики и бюджетного транспорта», — отметил академик.
Сжигать то, что другие закапывают
Если батарейки — это тактика, то атом — это стратегия. Виктор Ильгисонис из «Росатома» озвучил, что к 2042 году Россия должна удвоить атомную генерацию (сейчас это 28,6 ГВт). Но строить будут не просто «кипятильники», а реакторы четвертого поколения.
В свою очередь, Александр Жеребцов, исполняющий обязанности главного технолога проектного направления в АО «Прорыв», рассказал о своем проекте, который сейчас реализуется в Северске. Суть в том, что компания разрабатывает технологии замкнутого ядерного топливного цикла. Они отличаются тем, что:
- Обычные реакторы используют уран-235 (его мало). Быстрые реакторы (БРЕСТ со свинцовым теплоносителем) могут вовлекать в цикл уран-238 (его завались).
- Отработанное топливо не закапывают в землю на миллион лет, как в США, а перерабатывают прямо на станции (пристанционный цикл) и снова пускают в дело.
- Самые опасные изотопы (минорные актиниды) «выжигаются» в реакторе.
«Мы снижаем срок опасности отходов с миллионов лет до 300 лет. Это уже инженерная задача, а не философская», — подчеркнул Жеребцов.
Физику не обманешь
Самым отрезвляющим стало выступление Юрия Добровольского, гендиректора ООО «Центр водородной энергетики». Пока мир хайпует на водородных легковушках, он напомнил про КПД. По словам спикера, цепочка «получить водород -> сжать -> перевезти -> сжечь в топливном элементе» имеет КПД около 25–30%. У аккумулятора — под 90%.
«Зарядить электромобиль от розетки всегда выгоднее, чем делать водород», — честно признал эксперт. Однако есть направления, где он не то, что нужен, а критически необходим:
- В условиях холода. В Якутии литиевая батарея умрет, а водород работает.
- Для работы тяжелого транспорта. Водородный КАМАЗ проедет 1000 км, электрический встанет через 300.
- При длительном хранении. Солнечную энергию, собранную летом, в аккумуляторе до зимы не сохранить (саморазряд). В баллоне с водородом — легко.
Перовскиты против кремния
Заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета науки о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Алексей Тарасов напомнил, что солнечная энергия — это, по сути, термояд, который находится на безопасном расстоянии в 150 млн км.
По мнению эксперта, кремниевые панели, которые мы видим на крышах, достигли предела своей эффективности и дешевизны. Новая надежда — перовскиты, материалы, которые можно печатать как газеты.
В России есть сильные компетенции в этой области (в том числе в МГУ). Но главное применение для них сейчас — космос.
«Наземная солнечная энергетика уперлась в цену кремния. В космосе цена не так важна, важна удельная мощность. Тандемные элементы (кремний + перовскит) могут дать КПД выше 30%, и это прорыв для спутников», — пояснил Тарасов.
Перовскит — это камень или технология?
Если вы прямо сейчас откроете Википедию, то обнаружите, что перовскит (CaTiO₃) — это твердый минерал, найденный в 1839 году в Уральских горах и названный в честь графа Льва Перовского. Как из этого камня можно «печатать» гибкие панели?
Никак. В энергетике термин «перовскит» используют не для обозначения конкретного минерала, а для типа кристаллической решетки:
- Классический перовскит (CaTiO₃) — это твердая оксидная керамика, которая не растворяется и тугоплавкая.
- «Солнечный» перовскит (ABX₃) — это та же геометрическая структура, но ученые в ней заменили атомы. Вместо кальция и титана теперь она состоит из органики и свинца, а вместо кислорода — галоген (йод или бром).
Эта замена превратила твердый «камень» в материал, который можно растворить в пробирке, получить жидкие чернила и нанести их на гибкий пластик. При высыхании чернила сами собираются в ту самую структуру перовскита, которая идеально ловит свет.
Итог: в будущем будет энергомикс
Дискуссия показала, что «серебряной пули» не существует.
- нам нужны гигафабрики, чтобы пересадить горожан на электромобили и электробусы;
- нам нужен водород, чтобы возить грузы по Арктике;
- нам нужен замкнутый ядерный цикл, чтобы обеспечить дешевую базовую генерацию для заводов и тех самых гигафабрик.
Россия сейчас делает ставку на диверсификацию. Мы строим заводы по производству батарей, чтобы не зависеть от импорта, но при этом держим мировое лидерство в «быстрых» реакторах, к которому Китай только подступается.
P.S. На вопрос про термояд аспирант МИФИ Никола Остойич ответил философски: «Мы сделали термоядерную бомбу 70 лет назад, а вот контролировать эту реакцию учимся до сих пор. Промышленные реакторы будут, но, скорее всего, к 2040–2050 годам».
А как вы думаете, что не хватает России для лидерства в области электроэнергии?