Энергия из биоорганизмов

Разговор с химиком Юрием Добровольским о материаловедении, получении электричества и зеленой энергетике
30.08.2019
Андрей Бабицкий

Электричество и будущее энергетики

- Наука о материалах - это сборная солянка математики, химии, физики или отдельная наука?

- Безусловно, это отдельная наука. Не зря в университетах, например, есть факультеты наук о материалах. Да, она касается и физики, и химии, и математики. Сегодня мононаука осталась в очень узких областях, все остальные области научного знания - на стыке наук.

- Попытаюсь изобразить способ получения электричества, как я его понимаю: сначала берешь растения желательно карбонового периода, которые с КПД 2% фотосинтезировали, потом держишь их в анаэробных условиях при большом давлении, затем сжигаешь, турбина дает электричество, и я это электричество заряжаю в свой аккумулятор. Это довольно глупый способ получать электроэнергию?

- В общем, да. Почти вся энергия, которая есть на Земле, произошла от Солнца. Вы упомянули фотосинтез - это процесс взаимодействия излучения с живым веществом, то есть исходным источником было Солнце. Ископаемые источники, безусловно, полезны, нужны, они будут использоваться в ближайшее время, но они вторичные. Не проще ли получать энергию из других, возобновляемых источников, где происходит прямое преобразование? Самое простое решение - это Солнце; про фотовольтаические (солнечные) батареи все знают. Также мы можем использовать ветер, приливы, гидротермику - масса примеров того, когда мы ничего не сжигаем, но получаем электроэнергию. Оговорюсь: если честно считать, то, когда мы получаем фотовольтаическую батарею, мы сначала получаем кремний, то есть тратим энергию, которая изначально бралась из сжигания углеводородного топлива.

КПД преобразования фотосинтеза довольно низкий. Вы сказали, что турбина - это достаточно высокоэффективно, но это не так. Хорошо, если мы сожгли топливо и 40% перегнали в электроэнергию. Это должно быть централизованно: вы сожгли на электростанции, а не у себя дома, дальше гоните электричество по проводам, где происходит значительная потеря, затем оно доходит наконец до вашего устройства через ряд преобразований. И получается, что КПД в конечном итоге крайне низкий, даже если забыть про фотопреобразования в живом организме.

Что касается КПД возобновляемых источников. Солнечные батареи дают примерно 20-25%. Чуть с большим КПД мы получаем электричество от ветра. Можно преобразовать тепловую энергию. Все эти способы будут с не очень высокими КПД, но будут давать достаточно чистую электроэнергию.

Основным толчком энергетики, о которой мы говорим, послужила забота о себе родном и о природе вокруг. Можно долго обсуждать, кто есть причина глобального потепления. Но абсолютно понятно, что чем больше углекислого газа, тем выше будет температура, откуда бы углекислый газ ни брался. А значит, любое очищение окружающей среды, то есть переход на альтернативные источники энергии, сразу же приводит к более чистой окружающей среде.

- Почему мы уже не перешли на такую энергетику?

- Если вы сравните цену электромобиля с ценой обычного автомобиля на двигателе внутреннего сгорания, вы поймете, что это дорого. В своей лекции я рассказывал, что электромобили возникли одновременно с бензиновыми двигателями. Но поскольку бензиновый все удешевлялся и совершенствовался, мы дошли до ситуации, когда электромобили не могли конкурировать в цене с бензиновыми. Сейчас электромобили быстро дешевеют.

- А чем конкретно вы занимаетесь?

- Мы с коллегами не производим ветряки и фотовольтаику. Мы производим источники для хранения энергии. Мы нужны для того, чтобы избавиться от тепловых машин. Солнце светит полдня в лучшем случае, поэтому, чтобы иметь необходимое количество энергии, ее нужно накопить. Способов накопления энергии для городских условий очень мало, поэтому устройства должны быть компактными. Для этой цели у нас остается очень мало систем, и 90% из них электрохимические: аккумуляторы, топливные элементы, редокс-батареи. Собственно, мы нужны для того, чтобы от альтернативных источников энергии, которые всегда зависят от различных условий, мы могли бы давать энергию хорошего качества в нужном количестве в любое время вне зависимости от внешних условий.

- Опишите идеальный мир. К чему мы могли бы прийти в энергетике?

- Общий прогноз: через 50 лет вся энергия будет вырабатываться биоорганизмами. Уже существуют микробные топливные элементы, которые пожирают отходы в окружающей среде и за счет этого генерируют энергию. Есть бактерии, которые выделяют водород при своей жизнедеятельности, и это чистая энергия. На наш взгляд, перспективный источник энергии - это не Солнце, ветер и все остальное, а биологические системы. Да, они капризные, мы еще плохо умеем ими управлять и, наверное, не скоро научимся. Но все, кто интересуется наукой, видят, что в этом направлении делаются огромные шаги.

Я категорический противник биотоплива, потому что человечеству не хватает пищи. А если мы занимаем под источники энергии площади, которые могли бы приносить пищу, в настоящий момент жизни человечества это очень рано и неразумно. Голодает пол-Африки, умирают люди от голода, а мы растим рапс и радуемся тому, что потом им заправляем автомобиль. В этом смысле биотехнологии мне кажутся не очень разумным выходом.

Новые материалы в производстве источников тока

- Что нужно, чтобы получить идеальные аккумуляторы, которые после тысячи циклов рециклируются? Какого рода материалы нужны?

- Очень разные, это как раз тематика РОСНАНО. Многие материалы, которые мы используем в источниках энергии, - это наноматериалы. Мы не всегда играемся с химическим составом, а работаем с морфологией, то есть с маленькими частицами. Понятно, что они быстрее изменяют свои свойства, чем крупные частицы. Типичный пример: литий-железо-фосфат - это электрод для литийионных аккумуляторов, одни из самых безопасных. Когда я 20 лет назад читал лекции студентам про будущее литийионных аккумуляторов, то говорил, что это абсолютно бесперспективный материал для лития. Но оказалось, что если брать его не миллиметрового размера, а наноразмера, то он обладает вполне хорошей проводимостью.

- А что самый писк в производстве литиевых аккумуляторов?

- Есть две теории, о которых все говорят. Одна правдивая, но нереалистичная, а другая просто неправдивая. Было бы фантастически хорошо, если бы мы сумели получить литий-воздушный аккумулятор: вы убрали один электрод, и аккумулятор сразу стал в разы легче и эффективнее, чем нынешние. Мы могли бы использовать кислород как окислитель, как катодный материал. Но, к сожалению, такая система живет всего несколько циклов и быстро умирает. И пока не видно путей к усовершенствованию. По оценке нашей экспертной группы, вероятность того, что эту технологию смогут довести до изделия, приблизительно 20-25%.

Есть совсем рекламные заявления: графеновые аккумуляторы, графеновые суперконденсаторы. Надо понимать, что это реклама и ничего больше, потому что углерод, в какой бы он форме ни был - графит, графен, алмазы, фуллерены, - имеет вполне определенные характеристики и не дает фантастических результатов, особенно по энергоемкости. В этой технологии есть определенный выигрыш, но никакого революционного открытия мы не ожидаем.

- А к чему приковано внимание ваших коллег на практике?

- Есть два разных направления, если говорить об исследованиях литийионных источников. Во-первых, необходимо понижать стоимость. Она находится уже близко к пределу. Для транспорта это достаточная цена, а для накопления энергии очень дорого. Для снижения стоимости можно, например, заменить литий натрием - система сразу станет дешевле по компонентам. Мы, например, занимаемся магнием. Однако если с натрием системы работают, то неизвестно, как будет взаимодействовать с магнием половина компонентов.

Во-вторых, необходимо повышать разность потенциалов. Энергия зависит от разности потенциалов между двумя электродами. Самые хорошие литийионные аккумуляторы сейчас - это приблизительно 250 ватт-часов на килограмм. Это в 5 раз больше, чем свинцовый аккумулятор. Сейчас есть популярные NMC-катоды, у которых 4,2 вольта. Хотелось бы довести до 5-5,5. Насколько мы повысим потенциал, разницу потенциалов между анодом и катодом, настолько у нас энергоемкость линейно повысится.

- Какова сверхзадача для хранения энергии? Как выглядит система, которую хочется построить?

- Идеал - это, конечно, термоядерный синтез. Это был бы огромный рывок для цивилизации. Я думаю, что почти все остальное бы закрылось с точки зрения генерации энергии: чисто, нет выбросов. Но, к сожалению, технические проблемы решаются больше 50 лет, и пока ничего нового не выходит.

Пока у энергетики понятные пути. Мы можем надеяться на еще большее развитие фотовольтаики. Она дешевеет на глазах и становится экономически оправданной. Во многих странах даже сняли государственные дотации на эту отрасль, и это вполне себе рыночный продукт. Остаются сложности, связанные с хранением энергии. КПД от фотовольтаики мы будем получать достаточно низкий с точки зрения цифр, но очень высокий, если считать по всему циклу преобразования - от фотосинтеза до сжигания топлива.

- Хочу перейти к практической части. Мне интересно, какие реально существуют, помимо Tesla, стартапы, компании, которые пытаются создать новое устройство, новый аккумулятор или хранилище на новых принципах?

- Есть огромное количество стартапов, средних и больших предприятий, которые этим занимаются ежедневно. Начнем с автомобилей. На самом деле электромобили на аккумуляторах, особенно гибриды, разрабатывает каждая уважающая себя компания. Практически все фирмы, занимающиеся автомобилестроением, не только электромобилями, собрали свои электрические автомобили. Кстати, многие из них показывают фантастические характеристики иногда даже лучше Tesla. Но «лучше по техническим характеристикам» не значит, что сам продукт лучше.

Второе важное направление - это мобильная связь. Благодаря ей возникли литийионные аккумуляторы в 1992 году. С точки зрения науки это вчера. Развитие технологий конструирования мобильников привело к тому, что наши телефоны стали меньше, а количество функций увеличилось, и мы стали тратить больше энергии. И теперь рынок мобильной связи и рынок аккумуляторов подстегивают друг друга. Также у нас появилась робототехника. Раньше она была привязана к розетке либо должна была работать от двигателя внутреннего сгорания, потому что не было других источников энергии. Но здесь опять пришли на помощь новые источники энергии. Сейчас пылесос подползает к розетке, заряжается и едет дальше. Это большой рывок в развитии техники.

Источник: ПостНаука

Читайте другие наши материалы