Попадание в десятку

Энергетические технологии для ближайшего будущего

Ассоциация «Глобальная энергия» в рамках ПМЭФ-2024 представила пятый, юбилейный выпуск научно-делового доклада «10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет». В докладе, который является своего рода проводником между исследованиями большой науки и современными практиками энергетического сектора, уделено внимание низкоуглеродным источникам генерации, в том числе атомным станциям малой мощности, способам использования водорода в качестве топлива для различных видов транспорта, перспективным технологиям для хранения энергии и новым материалам для энергетики.

1. Атомные станции малой мощности

В современном мире повышение энергетической эффективности и безопасности становится ключевым фактором устойчивого развития общества. Бесперебойное снабжение чистой энергией играет важную роль в обеспечении качества жизни людей, создании инфраструктуры, промышленности и различных благ цивилизации в самых разных уголках планеты. Однако до сих пор эта базовая потребность оказывается недоступной во многих регионах мира. Особенно уязвимыми остаются труднодоступные и малонаселенные территории, где нет стабильной местной генерации.

Для решения этой проблемы ведущие технологические лидеры развивают перспективное направление атомных станций малой мощности (АСММ), или, по международной терминологии, SMR (small modular reactors). Эти инновационные энергетические установки предлагают оптимальное решение для стабильного и экологически чистого энергообеспечения потребителей на отдаленных от центральных энергосетей территориях, а также для замены старых электростанций с повышенным объемом выбросов CO₂ в атмосферу. На протяжении последних лет технологии АСММ находятся под пристальным вниманием стран, ориентированных на инновации, экономический рост и достижение целей Парижского соглашения по климату.

У АСММ есть несколько ключевых отличий по сравнению с АЭС большой мощности: значительно меньшая площадь станции; модульность, то есть возможность заводской сборки и дальнейшей транспортировки реактора на площадку станции с его установкой; сокращенные сроки сооружения.

Благодаря своему опыту и компетенциям в области ядерной энергетики, Росатом играет ведущую роль в реализации проектов с использованием АСММ, демонстрируя технологические решения, конкурентоспособные на мировом рынке. Российские проекты АСММ прокладывают путь к устойчивой и экологически чистой энергетике, способствуя сокращению выбросов углекислого газа, повышению энергетической безопасности и обеспечению экономической эффективности. В 2020 году была запущена российская плавучая атомная теплоэлектростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов» с двумя блоками водо-водяного реактора КЛТ-40С суммарной электрической мощностью 70 МВт. Референтная реакторная технология РИТМ-200 и проектируемая станция с реактором «Шельф-М» создают задел для расширения географии АСММ и продвижения российских технологий на зарубежных рынках.

2. Водородные топливные элементы

Водород привлекает внимание как топливо для транспортных средств и техники своей высокой энергоемкостью и экологичностью, поскольку при окислении водорода продуктом реакции является только вода. Большинство известных автопроизводителей к настоящему времени представили хотя бы опытные образцы транспорта на водороде, а некоторые модели стали серийными.

Топливные элементы — это электрохимические устройства, преобразующие химическую энергию реагентов непосредственно в электрическую энергию (постоянный ток). При работе топливного элемента пропускаются характерные для двигателей внутреннего сгорания промежуточные термомеханические процессы преобразования энергии, что повышает их КПД.

Водородные автомобили в сравнении с их чисто электрическими собратьями имеют ряд сильных преимуществ: в несколько раз больший пробег, быструю скорость заправки, меньшую зависимость от температуры (топливный элемент сам выделяет тепло и не теряет емкость на морозе, как аккумулятор), а также — как это ни удивительно — меньшую пожароопасность в сравнении как с бензиновыми, так и с аккумуляторными автомобилями. Широкому распространению и реальной конкуренции легковых водородных автомобилей мешает отсутствие развитой инфраструктуры — из-за очень высокой начальной стоимости создания заправочной станции.

Однако даже в таких условиях несколько типов водородного транспорта оказались экономически жизнеспособны. Во-первых, это водородные автобусы и другой коммунальный транспорт. Эффективность их использования объясняется тем, что в этом случае требуется всего одна заправочная станция на весь автопарк: водоробусы заправляются ночью, а одной заправки обычно хватает на день работы. Во-вторых, это разнообразная складская техника, и в первую очередь погрузчики. В-третьих, это небольшие развозные грузовики «последней мили». В-четвертых, дальнемагистральные грузовики, но их широкая эксплуатация возможна только одновременно с реализацией проектов Hydrogen Highway — шоссе, оснащенных цепью водородных заправок на расстоянии до 200 км друг от друга.

Сейчас рынок водородного транспорта активно растет за счет Азиатского региона, в первую очередь Китая с его значительно более развитой по сравнению с другими странами водородной инфраструктурой. К 2030 году ожидается кратный рост объемов производства такого типа транспорта, что обеспечит снижение стоимости водородных энергоустановок и рост инфраструктуры. Эти факторы позволят расширить сферы применения водорода и энергоустановок на основе топливных элементов.

3. Водородные двигатели внутреннего сгорания

Водородные ДВС сжигают водород в процессе, аналогичном используемому традиционными двигателями внутреннего сгорания, производя механическую энергию для приведения автомобиля в движение. КПД водородных двигателей сопоставим с традиционными бензиновыми, составляя примерно 25–30%. Сейчас ведутся масштабные исследования по повышению КПД, снижению выбросов и улучшению общих эксплуатационных характеристик водородных двигателей. Несколько компаний работают над адаптацией существующих ДВС для работы на водороде, в частности путем некоторой конструкционной модификации двигателя. Побочными продуктами водородных двигателей являются в основном водяной пар и тепло, при этом CO₂ и другие парниковые газы не образуются. Однако водородные двигатели генерируют NO_x, который образуется при нагревании воздуха до высоких температур. Выброс NO_x необходимо контролировать с помощью систем очистки выхлопных газов.

Хотя водородные ДВС кажутся неподходящим решением для пассажирских автомобилей, они могут сыграть важную роль в замене дизельных двигателей в тяжелых транспортных средствах, к которым относятся миллионы грузовиков, автобусов, а также других машин, используемых в сельском хозяйстве, строительстве, горнодобывающей и цементной промышленности и прочих отраслях со сложными условиями эксплуатации. Водородные ДВС, при условии высокой критичности фактора стоимости, могут стать приемлемым выбором, по крайней мере в ближайшем будущем, используя существующую инфраструктуру с незначительными изменениями.

Водород также рассматривается как перспективное топливо для достижения нулевого уровня выбросов при авиаперевозках. Переоборудование газовой турбины для работы на водороде вместо реактивного углеводородного топлива не требует больших изменений, в основном они касаются изменения конструкции камеры сгорания. Например, Airbus в настоящее время работает над тремя концепциями, основанными на использовании водородных двигателей.

4. Суперконденсаторы

Существенным недостатком возобновляемой энергии является ее региональный, прерывистый и нестабильный характер. Следовательно, интеграция и развитие ВИЭ во многом зависят от достижений в технологиях хранения электроэнергии.

В настоящее время к наиболее широко исследуемым и применяемым устройствам хранения электроэнергии относятся вторичные батареи (свинцово-кислотные, никель-водородные, литийионные аккумуляторы и т. д.) и суперконденсаторы. Вторичные батареи используют окислительно-восстановительную реакцию между электродами и электролитами для преобразования электрической энергии в химическую. Суперконденсаторы же действуют по механизму обратимой адсорбции-десорбции ионов на границе между электродом и электролитом, образуя двойной электрический слой, или используют поверхностные окислительно-восстановительные реакции на поверхности электрода для создания псевдоемкости. Это наделяет суперконденсаторы превосходными энергетическими характеристиками и более длительным сроком службы по сравнению с аккумуляторными батареями. Хотя емкость суперконденсаторов ниже, чем у аккумуляторных батарей, их внедрение на рынок и промышленное производство могут получить дальнейшее развитие после увеличения зарядной емкости за счет оптимизации реакционной способности материалов и более эффективного использования двойного электрического слоя.

Современные суперконденсаторы уже находят применение в самых разных областях, например, служат в качестве вспомогательных источников энергии для электромобилей, железнодорожного и других видов транспорта. Они обеспечивают мгновенное выполнение таких функций, как разгон, рекуперативное торможение и запуск двигателя, повышая тем самым энергоэффективность и безопасность. Также суперконденсаторы могут использоваться в качестве резервных источников питания, обеспечивая нормальную работу видеорегистраторов и навигационных систем.

В сфере энергетики суперконденсаторы служат в качестве накопителей энергии, обеспечивая бесперебойную, стабильную и регулируемую подачу электричества. Эта способность повышает надежность и гибкость энергосистем. Кроме того, суперконденсаторы используются в качестве защитных устройств энергетического оборудования, помогая нивелировать такие проблемы, как флуктуации напряжения и кратковременные перебои в подаче электроэнергии. Эта защитная функция обеспечивает надежную работу энергетического оборудования.

Области применения суперконденсаторов обуславливают их значительный потенциал и преимущества. Ожидается, что с увеличением доли новых источников энергии и созданием интеллектуальных сетей спрос на суперконденсаторы будет постоянно расти. Эксперты предполагают, что в ближайшем будущем, с дальнейшим развитием механизмов накопления энергии, суперконденсаторы, преодолевающие ограничения по емкости, станут оптимальным решением в области хранения энергии.

5. Воздушно-цинковые батареи

С увеличением спроса на новые технологии хранения электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ, в последние годы большое внимание привлекают и металл-воздушные батареи, в которых процессы разрядки и зарядки осуществляются за счет реакций восстановления и выделения кислорода и которые обладают более высокой плотностью энергии в сравнении с широко используемыми литийионными батареями. В частности, широко изучаются воздушно-цинковые батареи (ВЦБ). Аккумуляторные ВЦБ считаются перспективным вариантом для создания устройств хранения энергии нового поколения благодаря их высокой теоретической плотности энергии (1086 Вт·ч/кг), низкой стоимости и высокой безопасности. Широкомасштабному применению перезаряжаемых ВЦБ пока препятствует низкая кинетика реакций восстановления и выделения кислорода, при этом с целью достижения высокой каталитической эффективности для ВЦБ желательно применение бифункциональных катализаторов, не содержащих драгоценных металлов. Создание таких высокоэффективных, недорогих и долговечных электрокатализаторов снимет одно из основных препятствий для коммерциализации аккумуляторных ВЦБ.

6. Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой одномерную трубчатую структуру, состоящую из sp²-гибридизированных атомов углерода. Диаметр нанотрубки находится в диапазоне от субнанометра до 100 нанометров, а их длина обычно измеряется микронами, но может достигать десятков сантиметров. В зависимости от количества составляющих коаксиальных графитовых слоев, нанотрубки подразделяются на одностенные, двустенные и многостенные.

Благодаря уникальной трубчатой структуре и прочным ковалентным связям С — С, УНТ обладают превосходными физико-химическими свойствами, включая сверхвысокую прочность на разрыв, высокую электропроводность и теплопроводность, отличную гибкость, хорошую химическую и термическую стабильность. Поэтому прогнозируется, что УНТ найдут широкое применение в электронике, оптоэлектронике, аэрокосмической промышленности, производстве усовершенствованных композитных материалов, автомобилестроении, технологиях преобразования энергии и других областях. Специалисты говорят, что свойства УНТ позволяют считать их идеальным материалом для использования в электродах литиевых аккумуляторов, где они могут обеспечить требуемые электрохимические свойства. Согласно прогнозам, в ближайшие 10 лет рынок УНТ будет стремительно расширяться.

7. Органические солнечные батареи

Ватт солнечного фотоэлектричества пока дороже «углеродного ватта», но его стоимость постепенно снижается. Глобальная установленная мощность солнечной фотовольтаики уже превысила 1 ТВт (5% глобального потребления электроэнергии) и показывает прирост около 25% в год.

В настоящее время подавляющая доля солнечной электроэнергии производится кремниевыми солнечными панелями, обладающими КПД выше 20% и сроком службы в десятки лет, но все еще слишком дорогими. В связи с этим внимание во всем мире сосредоточено на поиске более дешевых альтернатив солнечному кремнию, производство которого энергозатратно и дорого, так как требует высоких температур и вакуума. Такой альтернативой видятся дешевые тонкопленочные (~100 нм) полупроводниковые материалы, которые, например, можно быстро наносить из растворов на большие площади, используя, в частности, имеющиеся технологии полимерной и печатной индустрии.

В последние 10 лет наблюдался бурный рост исследований в области органической фотовольтаики. Значения КПД лабораторных образцов органических солнечных батарей (ОСБ) уже достигли уровня, вполне удовлетворительного для большого числа разнообразных практических применений, но наиболее узкими местами ОСБ остаются их недостаточный срок службы и высокая стоимость. При этом проведенные исследования по методике ускоренного старения показывают, что при качественной герметизации от атмосферных кислорода и воды срок службы ОСБ может достигать десятков лет. Высокая стоимость ОСБ прежде всего связана с дороговизной материалов для активного и вспомогательных слоев для них. Поэтому усилия исследователей будут также направлены на поиск более простых синтетических методик получения материалов для ОСБ.

Эксперты считают, что в ближайшие годы ОСБ не достигнут необходимой степени зрелости для конкуренции с кремниевыми батареями для промышленного производства электроэнергии. Но ожидается, что будут активно развиваться нишевые применения, где ОСБ имеют весомые преимущества.

ОСБ перспективны для архитектурно-интегрированной фотовольтаики в сравнении с традиционными кремниевыми солнечными панелями за счет их гибкости, малого веса, полупрозрачности и возможности получать различные цветовые оттенки. При этом не требуется выделения дополнительных территорий, необходимых для работы солнечных электростанций. Покрытые солнечными панелями внешние площади зданий могут улучшить их шумовую и термоизоляцию, а также электромагнитную защиту. Кроме того, ОСБ более эффективно преобразуют рассеянное и падающее под углом солнечное излучение. Недавние сравнительные натурные испытания кремниевых и гибких органических солнечных модулей, установленных наклонно (под углом 45°) и вертикально (под углом 90°), показали, что нормированное на максимальное значение КПД ОСБ может быть до 30% выше, чем КПД кремниевых. Также перспективным направлением представляется интеграция в окна зданий полупрозрачных ОСБ со спектром поглощения в ближнем ИК-диапазоне. В таком случае наличие ОСБ не будет визуально заметным, а оконные стекла могут служить отличной защитой от влияния окружающей среды, что будет способствовать длительному сроку службы ОСБ.

Пока ОСБ еще не вышли на рынок фотовольтаики для помещений, но также имеют здесь высокий потенциал. Во-первых, путем выбора материалов активного слоя спектр фоточувствительности ОСБ может быть сравнительно легко подстроен под спектр искусственного освещения. В настоящее время продемонстрированы лабораторные образцы различных типов ОСБ с КПД в диапазоне 20–30%, что превышает КПД кремниевых СБ при аналогичных условиях искусственного освещения. При этом предельный КПД ОСБ для работы на искусственном свете может достигать 60%, что существенно выше предела, рассчитанного для условий прямого солнечного освещения. Во-вторых, условия эксплуатации СБ в помещениях, как правило, намного менее жесткие, чем при работе на открытом воздухе, что делает менее острыми проблемы стабильности ОСБ.

Еще одним перспективным направлением развития органической фотовольтаики выступает космос, где нет главных «врагов» стабильности ОСБ — кислорода и воды.

8. Организмы для производства биотоплива

Биотопливо относят к возобновляемым источникам энергии, так как его производят на основе материалов, легко воспроизводимых путем выращивания. Современные виды биотоплива, такие как биоэтанол и биодизель, могут служить прямым и адекватным заменителем ископаемого топлива. Биоэтанол — наиболее распространенное жидкое биотопливо, получаемое главным образом из сахарного тростника в Бразилии и кукурузы в США. Биодизель, второй по объему потребления вид биотоплива, производится в основном на основе масличных растений и потребляется в Европе.

Биотопливо первого поколения получают из продовольственных культур, для этого необходимы значительные земельные ресурсы и большое количество удобрений. Биотопливо второго поколения производится из непродовольственного сырья, в том числе сельскохозяйственных отходов (кукурузной, рисовой и пшеничной соломы), энергетических культур (мискантуса, проса прутьевидного и других лигноцеллюлозных растений), лесосечных и иных отходов (твердых бытовых отходов и отработанного кулинарного жира). В отличие от первого поколения, биотопливо второго поколения в целом не оказывает негативного воздействия на продовольственную безопасность, окружающую среду и устойчивое развитие.

Биотопливо третьего поколения производится из таких субстратов, как макроводоросли, микроводоросли и цианобактерии, выращивание которых не требует пахотных земель. Культивирование водорослей или цианобактерий сопровождается потреблением CO₂, что также способствует достижению целей декарбонизации. Но экономические характеристики биотоплива третьего поколения во многом еще требуют улучшения. К ближайшим задачам относятся оптимизация систем культивирования и сбора, комбинированная выработка липидов и ценных соединений водорослями, накопление ценности благодаря связыванию углерода.

Перспективным направлением также является использование микроорганизмов: с помощью почкующихся дрожжей можно получать этанол из сахаросодержащего и крахмалосодержащего сырья, а липиды жирообразующих дрожжей можно перерабатывать в биодизель. Также в сфере синтетической биологии имеется большой потенциал создания новых штаммов и сообществ микроорганизмов, что позволит совершенствовать производство биогаза — экологически чистого биотоплива, применяемого уже несколько десятилетий. Основным горючим компонентом в составе биогаза является метан, получаемый при разложении органических материалов смешанными микробными сообществами в анаэробных условиях.

9. Умные материалы

Из-за роста спроса на энергетическое оборудование повышенной надежности и долговечности повышается интерес к изоляционным материалам. Однако с повышением уровня напряжения проблемы с изоляцией становятся все более серьезными. Неравномерное распределение электрических полей в изоляционных материалах приводит к особо сложной конструкции изоляции. Даже малейший дефект, вызванный электрической деградацией диэлектрических полимеров, в конечном итоге может привести к пробою диэлектрика, что крайне затрудняет обнаружение потенциальных дефектов изоляции во многих видах энергетического оборудования. Длительная деградация твердых диэлектриков, постоянно работающих в жестких условиях, неизбежно приведет к их катастрофическому разрушению.

Умные диэлектрики имеют функции самостоятельной адаптации, индикации и восстановления, что позволяет избежать, ограничить и даже устранить электрическую деградацию. Самоадаптивные диэлектрики демонстрируют отличную способность к пространственному выравниванию неравномерных электрических полей и быстрому высвобождению зарядов высокой плотности, что позволяет избежать нарушений изоляции, вызванных локально усиленными полями. Диэлектрики со встроенной индикацией могут изменять цвет при поверхностной электрической деградации, что позволяет легко обнаружить микроскопическую электрическую деградацию невооруженным глазом. Самовосстанавливающиеся диэлектрики могут устранять электрические повреждения, восстанавливая утраченные функции и деградировавшие характеристики, в результате чего срок службы оборудования увеличивается. По сравнению с традиционными диэлектриками использование умных диэлектриков не только повышает стабильность и долговечность, но и снижает производственные затраты. Важно, что функции самоадаптации, индикации и самовосстановления могут быть интегрированы в один и тот же диэлектрик для автономного управления всем его жизненным циклом.

10. ИИ в нефтегазовом секторе

Анализируя глобальные тренды потребления энергоресурсов, эксперты обращают внимание на стойкую тенденцию спроса на углеводороды, который, по прогнозам, будет оставаться на высоком уровне в течение ближайших 30 лет. В свете этого перед нефтегазовой отраслью стоит серьезный вызов: увеличение и поддержание объемов добычи нефти и газа, что особенно актуально в контексте растущего процента трудноизвлекаемых запасов. Ответом на этот вызов может стать применение инновационных техник и технологий на всех этапах, от разработки и эксплуатации месторождений до транспортировки и переработки углеводородов. Это, в свою очередь, позволит снизить общую себестоимость продукции.

Одно из перспективных направлений в развитии нефтегазового сектора — применение искусственного интеллекта в интерпретации геологоразведочных данных, что может существенно повысить точность анализа и привести к сокращению капитальных затрат на этапе геологоразведки и разработки месторождений. Так, согласно исследованиям, генеративный ИИ способен анализировать исторические данные обслуживания и сенсорные данные, что помогает в создании моделей прогностического технического обслуживания и оптимизации стратегий бурения, оценке запасов углеводородов и максимизации эффективности производства.