Топливо-2060: как сократить зависимость от импорта и углеродный след
Российская энергетика лишилась зарубежного оборудования, но это не означает отказа от современных и экологичных технологий. Ученые создают разработки, которые помогают замещать импорт и продвигаться к декарбонизации
Сложное положение и быстрая «цифра»
Добиться полной декарбонизации Россия планирует к 2060 году. Чтобы достичь этой цели, нужно корректировать энергобаланс и внедрять новые технологии для выработки и распределения энергии. Но после введения санкций и прекращения зарубежных поставок оборудования на первый план в энергетическом секторе вышли вопросы импортозамещения.
«Положение сложное, но не критическое. Работа топливно-энергетического комплекса не находится под угрозой срыва, а для российской промышленности это определенный драйвер», — говорит Виталий Сергеев, ученый-теплотехник и первый проректор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого («Политех»).
Он приводит в пример ситуацию с газотурбинными агрегатами. На сегодняшний день зависимость от импорта газовых турбин достигает 90%. В России есть свои наработки в этом направлении, но конкурировать с гигантами вроде Siemens и General Motors было сложно. Новые условия подтолкнули к тому, чтобы быстрее вывести на рынок отечественные модели. То же самое происходит с насосным оборудованием, газоперекачивающими станциями и многими другими агрегатами.
Однако разработчикам и производителям приходится расставлять приоритеты, в том числе при распределении финансовых ресурсов. «Если мы понимаем, что западное оборудование способно проработать еще от двух до пяти лет, то нас в первую очередь интересует задача сервисного обслуживания, обеспечение комплектующими. В случае с турбинами Siemens еще есть запас времени на создание аналогичной турбины, но лопатки мы должны делать уже сейчас», — рассказывает Сергеев.
Ускорить процесс импортозамещения помогают цифровые технологии. С помощью digital-моделей разработчики проверяют и дорабатывают оборудование еще до серийного запуска. И если раньше на производство насоса требовалось два-три года, то сегодня это можно сделать за год.
Конечно, проблема импортозамещения осложняет процесс декарбонизации, но это не означает отказа от поставленных целей. «Стремиться к этому и уменьшать влияние на климат все равно надо», — отмечает проректор «Политеха».
Поэтому с начала 2022 года вуз сосредоточился на двух задачах — импортозамещении и создании сложных инжиниринговых решений, которые помогут вывести на рынок глобально конкурентоспособные продукты и сделать энергетику более экологичной. «Нам нужно не повторять или догонять, а идти вперед», — подчеркивает Сергеев.
Взлет ВИЭ и кремниевые наноиглы
В 2021 году мировой объем генерации солнечной энергии в мире вырос на 23%. Вместе с ветровой энергетикой она производит около 10% всего электричества на планете. А на фоне энергокризиса и дорожающих углеводородов ожидается рекордный прирост ВИЭ, причем основной объем приходится именно на солнечную генерацию. В 2022-м, по оценкам Международного энергетического агентства, будет введено около 190 ГВт новых мощностей.
В России это направление развивается не так быстро и масштабно. Но программа развития солнечной энергетики предусматривает наращивание мощности и запуск около 1,8 ГВт до 2024 года.
«Основа солнечной энергетики — это фотоэлементы, работы с новыми материалами, физическими структурами. У нас есть сильные физики и хорошая научная база», — отмечает Сергеев.
Первый завод полного цикла по производству солнечных модулей появился в России в 2015 году. Его запустила компания «Хевел», созданная «Роснано» совместно с «Реновой». Новые модули способны производить электричество даже в пасмурную погоду, их используют для снабжения энергодефицитных и удаленных районов. По оценке Сергеева, российские солнечные панели по ряду параметров превосходят зарубежных конкурентов.
У СПбПУ тоже есть интересные проекты в этой сфере. К примеру, в рамках программы «Приоритет-2030» вуз разработал технологию создания равномерного массива кремниевых наноигл. Ее можно использовать для изготовления солнечных элементов с высоким КПД.
Как уменьшить счета и риски отключений
Среди самых перспективных технологий в энергетике — электрогенераторы на твердоксидных топливных элементах (ТОТЭ). Они позволяют в разы удешевить снабжение удаленных и автономных объектов. Такие элементы способны работать на разных видах топлива — от чистого водорода до угарного газа.
В числе мировых лидеров по производству электрогенераторов на базе ТОТЭ — Япония и США. Например, установками американской Bloom Energy пользуются такие компании как Coca-Cola, Bank of America, Walmart и Google. Каждая установка обеспечивает 100 кВт электроэнергии: этого достаточно для питания 100 частных домов или небольшого офисного здания в режиме 24/7. При этом компании-пользователи снижают стоимость электричества, углеродный след и риски отключения энергии.
В петербургском «Политехе» есть собственные разработки для передовых ТОТЭ. В частности, технологии для создания мембранно-электродного блока, которые позволяют делать компактные ТОТЭ размерами от 100 до 400 кв. см. По своим характеристикам такие элементы приближаются к лучшим мировым образцам.
Атомные киловатты и водород из мусора
Мировой рынок водородной генерации оценивается примерно в $266 млн, к 2028 году он может увеличится более чем в полтора раза. Спрос на водород, особенно «зеленый», климатически нейтральный, растет беспрецедентными темпами — более 55% в год.
В России только недавно разработали комплексную программу развития водородной энергетики. Проект, опубликованный в середине февраля 2022 года, предусматривал масштабные поставки топлива в другие страны и локализацию зарубежных технологий в РФ. Соглашения успели подписать с Германией, Японией и ОАЭ.
Эти планы придется менять — нужно переориентировать часть проектов с западных рынков на Восток или внутреннее потребление, а также заменить недоступные технологии. Но само по себе направление остается для нашей страны очень перспективным, подчеркивает Сергеев из «Политеха».
Для производства водорода нужны свободные мощности, и в России они есть, объясняет эксперт: «Атомные станции все время работают с постоянной нагрузкой. Но по ночам потребность в энергии снижается, и невостребованный ресурс выгодно использовать для синтеза водорода».
По его словам, в Санкт-Петербурге также рассматривают возможность развития комбинированной генерации с водородным компонентом неподалеку от гидроэлектростанций. Они служат источником дешевой электроэнергии, причем водород можно делать тут же путем электролиза воды.
Получать перспективное топливо можно и из других источников — метана, угля, биомассы. В «Политехе» сейчас исследуют возможность производства водорода из мусора. А точнее, путем термического разложения твердых коммунальных отходов.
По заказу ПАО «Газпром» вуз также разрабатывает варианты транспортировки водородного топлива. Потенциально для этого можно использовать существующую газотранспортную систему — например, подмешивая водород к природному газу в определенных пропорциях.
Кроме того, в СПбПУ создали опытный образец гибридной энергоустановки на водородных топливных элементах. Ее можно применять в автомобилях и беспилотных платформах, заменяя таким образом западные гибридные модели.
На развитие технологий и инфраструктуры понадобится время. По оценкам Сергеева, это не вопрос ближайших двух лет, но к 2030 году многие водородные разработки будут применяться на практике.
Чем заменить импортные аккумуляторы
Более 80% аккумуляторов в Россию до недавнего времени поставлял Китай. И хотя КНР не поддержала санкции, эксперты ожидают сокращения поставок в 2022 году, в том числе из-за усложнения логистики и сжатия платежеспособного спроса.
Однако в России изобретают и собственные, нередко более совершенные образцы. Так, в «Политехе» создали новые материалы для носимых и вживляемых устройств с литиевыми батареями. Система на основе катода и твердого электролита разработана впервые в мире. Она позволит увеличить емкость аккумуляторов на 20% по сравнению с нынешними моделями, причем размеры батарей останутся прежними.
Термоядерное будущее и комплексная оценка
Самое многообещающее направление в энергетике будущего — технологии управляемого термоядерного синтеза. Если удастся их освоить, человечество получит фактически бесконечный и экологически безопасный источник энергии.
В прошлом году в России запустили собственную термоядерную мега-установку токамак Т-15МД, которую будут использовать для исследовательских целей. Электрический ток в этой установке пропускают через плазму, пытаясь обеспечить ее равновесие.
Ученым уже удается некоторое время удерживать плазму в стабильном состоянии. Но нужно, чтобы речь шла не о нескольких секундах или минутах, а об устойчивом процессе, отмечает Сергеев.
«Если все получится, то это может перевернуть мировой энергетический ландшафт. Все остальное — водородная, солнечная, угольная энергетика — будет занимать определенную нишу рынка, но уже не оказывать на него существенного влияния», — прогнозирует эксперт.
Если же ученые не смогут освоить термоядерный синтез, то через 10–20 лет рынок будет диверсифицированным. «Атомная энергия, природный газ и другие углеводороды по-прежнему будут использоваться в большом объеме», — уверен проректор «Политеха».
По его мнению, нельзя нарушать базовые экономические принципы, делая ставку только на экологичные, но невыгодные виды генерации. А при выборе решений и технологий надо оценивать полный цикл их создания и использования.
После такой оценки может оказаться, что электромобили на самом деле не так уж и экологичны. Ведь для зарядки батарей часто используют невозобновляемые источники энергии. А для утилизации аккумуляторов нужны сложные и дорогие химические процессы с большим углеродным следом.
«Поэтому нужно связывать энергетику с экономикой и принимать решения на основе детального анализа», — заключает эксперт.
Реклама, рекламодатель: СПбПУ Петра Великого
