Триумф батарейки: Нобелевская премия за технологию, создавшую рынок на $100 млрд

Нобелевскую премию по химии получили создатели литий-ионных батарей, применяемых во множестве отраслей, от электроники до «зеленой» энергетики. Это один из нечастых примеров, когда премию присудили за технологию, изменившую мир не меньше, чем динамит Альфреда Нобеля

Нобелевская премия Джона Гуденафа, Стэнли Уиттингема и Акиры Йосины — закономерный итог развития технологии энергонакопителей, и шире — электрохимии и физики, в ХХ веке. Цель, лежавшую в основе этого развития, можно сегодня определить так: найти альтернативные способы не только получения, но и хранения энергии. О том, что ученые прошлого действительно ставили перед собой такие задачи, можно судить по известному высказыванию Д. И. Менделеева: «Сжигать нефть — все равно, что топить печку ассигнациями».

Исследованиями лития и возможностей его использования в энергонакопителях начали заниматься в 1970 году. Создание первой батареи на основе ионов лития принадлежит британо-американскому химику Стэнли Уиттингему, который в этом году вместе с коллегами Джоном Гуденафом и Акирой Йосино был удостоен Нобелевской премии по химии.

В 1970-х центральным событием в мире стал нефтяной кризис 1973 года, который, очевидно, положил начало гигантским и по сей день инвестициям в новые технологии как производства электрической энергии, так и ее хранения. Мировая общественность увидела в нестабильности нефтяного рынка реальную угрозу, и для представителей науки поиск альтернатив и достижение их экономической эффективности стал вызовом.

Отрасли литий-ионных технологий в этом году исполняется 28 лет. Считается, что первый коммерческий продукт в 1991 году выпустила японская Sony Corporation. С тех пор объемы производства выросли в сотни раз, а сферы применения значительно расширились. Суммарный объем производства литий-ионных аккумуляторов к 2023 году, по данным Benchmark Minerals, может достичь 1000 ГВт*ч. Объем рынка, по данным аналитического агентства Market Research Engine, к 2024 году превысит $92 млрд, тогда как на сегодня он составляет порядка $38 млрд. Как и производство компонентов для солнечной энергетики, более половины производственных мощностей будет сосредоточено в Китае. Сегодня этот показатель не превышает 300 ГВт*ч.

За счет каких отраслей будет стимулироваться спрос на накопители? Этот вопрос остается открытым, так как каждая сфера — будь то сфера электротранспорта в широком видении (электромобили, водный или воздушный транспорт), портативная электроника с целым рядом гаджетов или городская среда со всей ее инфраструктурой — дает свое обоснование под необходимость развития сегмента storage.

Мощность 1000 ГВт*ч эквивалентна 20 млн электромобилей. Сегодня флот автомобилей на электрической тяге едва превышает 5 млн единиц. Поэтому прогнозный показатель к 2023 году достижим в том случае, если компании-производители электромобилей реализуют заявленные планы по расширению производств. А эти планы тоже весьма условны. Сегодня мы видим на примере Японии, что продажи электромобилей частным лицам приближаются к нулю.

Куда большим потенциалом внедрения не столько накопителей, сколько целых систем хранения энергии, оснащенных системами контроля режимов и автоматизации, обладает сфера возобновляемых источников энергии. Для солнечных электростанций и ветроэнергетических установок вопрос хранения энергии является ключевым. Суммарная мощность всей установленной в мире солнечной генерации к концу года, по данным ассоциации SolarPower Europe, достигнет 600 ГВт. И здесь важен не столько объем, сколько особенность строящейся и перестраивающейся энергосистемы.

Основной спор сегодня в глобальном сегменте новой энергетики разворачивается вокруг того, какой вид примет эта энергосистема: будет она сетевой, или будущее за распределенной (distributed) энергетикой. Точность прогнозирования в данном вопросе критически важна для развития отрасли накопителей. В случае с распределенной энергосистемой (когда, к примеру, городская агломерация самостоятельно обеспечивает себя электрической энергией) устройствам хранения энергии будет отведена не менее важная роль, чем генерирующим мощностям.

В пользу тезиса об опережающем развитии распределенной генерации говорит статистика. Сегодня в мире около 1 млрд людей, или 14 процентов мирового населения, по данным Международного энергетического агентства, не имеют доступа к электрической энергии. В первую очередь, это районы африканского континента южнее Сахары и часть территорий Юго-Восточной Азии. Нет сомнений в том, что синергетический эффект возобновляемых источников энергии и накопителей энергии там будет востребован. Свою нишу системы хранения энергии найдут и в городах других континентов, где рост численности населения ведет к разрастанию городских территорий, а значит, требует расширения электроэнергетической инфраструктуры. В прошлом году Великобритания явила миру пример «островной» электростанции мощностью несколько мегаватт, основой которой стали солнечные модули в комплекте с системой хранения энергии, позволяющей перейти нескольким поселкам на автономное энергоснабжение.

Необратимость тренда на все большее внедрение систем хранения энергии, хотим мы того или нет, объясняется еще и неустойчивостью геополитических факторов. Рост протекционистских мер, стремление большинства национальных экономик к энергетической независимости может вести к суверенизации энергетического сектора. В этом смысле попытки большинства стран, в том числе России, продолжить развитие отрасли накопителей вполне логичны.

Для России мировое признание успехов ученых в сфере литий-ионных технологий — знак того, что недооценка этой отрасли, инвестиции в которую еще в 2018 году превысили $23 млрд, будет серьезной ошибкой. На анализ ситуации и рынков времени практически нет. Очевидно, начать стоит начать с более активного участия в международной научной кооперации, параллельно продолжая реализацию пилотных проектов и формируя собственную модель работы на внутреннем и внешнем рынках. На сегодняшний день в России литий-ионные аккумуляторы производятся только на новосибирском заводе «Лиотех»: проектная мощность завода составляет 1 ГВт*ч в год, а суммарные инвестиции составляют 13,6 млрд рублей.

Разработка, а также внедрение в практику литий-ионных батарей, за которые в среду была присуждена Нобелевская премия по химии, требует специальных государственных программ поддержки, которые существуют во многих странах. Такое мнение в беседе с корреспондентом ТАСС в среду высказала менеджер по работе с ключевыми клиентами портфельной компании "Роснано" ООО "Литэко" - управляющая компания ООО "Лиотех-Инновации" Вера Волошина.

По ее словам, за последние 10-15 лет внедрение литий-ионных батарей произошло во всех сферах не потому, что с самого начала это была очень выгодная технология. Литий-ионные аккумуляторы дороже аккумуляторов других типов, но они служат в несколько раз дольше, могут запасать больше энергии на единицу массы и объема, удобны в эксплуатации. Во многих странах существует система поддержки таких технологий: гранты ученым-разработчикам, субсидии и льготы производителям электротранспорта и систем накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах, льготы при покупке электромобилей и стимулирование использования возобновляемых источников энергии.

"Только после нескольких десятилетий господдержки на всех уровнях технология вышла на уровень безубыточности и стала приносить чистую прибыль. В России существуют субсидии производителям электротранспорта, предпринимаются меры по развитию рынка систем накопления энергии, но в целом объем государственной поддержки внедрения литий-ионных технологий существенно ниже, чем в других развитых странах", - отметила собеседница агентства.

При этом она напомнила, что в России есть перспективные научные группы, работающие в области литий-ионных аккумуляторов, например, в Сколковском институте науки и технологий (Сколтехе), в Центре компетенций Национальной технологической инициативы "Технологии новых и мобильных источников энергии", который создан при Институте проблем химической физики Российской академии наук в Черноголовке (Московская область). Однако пока все эти разработки находятся на этапе лабораторной технологии, а для их масштабирования и внедрения в промышленное производство требуется существенное финансирование.

"В результате число производителей литий-ионных аккумуляторов в России сейчас ограничено. Наш завод "Лиотех" - это практически единственное предприятие, которое массово производит литий-ионные аккумуляторы для гражданских рынков. Есть еще три-четыре завода, которые делают такие аккумуляторы для военных применений и для космоса, но там себестоимость изделий в три-четыре раза выше рыночной", - пояснила Волошина.

Новые сферы применения

Между тем, по ее словам, востребованность, а также сферы применений литий-ионных батарей в ближайшие годы будут только расширяться. Например, в последнее время востребован городской электротранспорт (электробусы, электромобили, троллейбусы с удлиненным автономным ходом), стали появляться решения для электрического и гибридного водного транспорта (паромы, электросуда), ведутся разговоры о создании электрического самолета. Одна из самых быстрорастущих сфер применения литий-ионных аккумуляторов - беспилотные летательные аппараты (дроны).

"Существует также огромный рынок замены свинцово-кислотных аккумуляторных батарей на литий-ионные, например, в источниках бесперебойного питания, которые применяются повсеместно. Одним словом, у литий-ионных батарей большое будущее, и развитие отечественного производства таких батарей - важная государственная задача", - заключила эксперт.

Нобелевская премия по химии

Нобелевская премия в области химии 2019 года присуждена американцу Джону Гудинафу, британцу Стэнли Уиттингему, японцу Акире Ёсино "за разработку литиевых батарей". Уиттингем получил свою часть премии за открытие энергоемкого материала, пригодного для создания катода литиевых батарей, а Гудинаф предсказал, что он будет иметь еще больший потенциал, если будет сделан с использованием оксида вместо сульфида металла, в 1980 году он продемонстрировал это на практике. На основе катода Гудинафа Ёсино в 1985 году создал первую коммерчески жизнеспособную литий-ионную батарею.

Как пояснили в Нобелевском комитете, эти легкие, перезаряжаемые и мощные батареи теперь используются во всем: от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Они также могут накапливать значительное количество энергии от солнца и ветра, что делает возможным создание общества, свободного от ископаемого топлива.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.