Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии ФБТ-2025
«Материалы для будущей энергетики».
Будущая энергетика и материалы
Взяв за основу простой постулат — законе сохранения энергия — энергия не исчезает и не возникает, а лишь переходит из одной формы в другую можно в целом описать источники энергии. Их можно разделить на две основные группы: генераторы энергии и накопители. К первой группе относятся такие источники как солнечные батареи, ветрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы, топливные элементы и другие устройства, которые делятся на возобновляемые и невозобновляемые источники. Они преобразуют один вид энергии в другой (например, энергию химических связей в тепловую или электрическую). Накопители энергии представлены в основном электрохимическими источниками (свинцовые аккумуляторы, литий-ионные батареи, суперконденсаторы, проточные редокс-батареи) и альтернативными системами (гравитационные накопители, например, на основе резервуаров с водой, пневматические системы — накопление в сосудах под давлением). Накопители, аккумулируют энергию в виде той же формы или другой форме, но отдают в той же форме (например, электрическая энергия преобразуется в энергию химических связей в литий-ионных батареях, но возвращается в виде электрической энергии). Соответственно, материалы для энергетики образуют обширную группу, сквозную группу, включающую как активные материалы-накопители, так и материалы для генерации энергии.
На сессии обсуждалась будущая энергетика в контексте новых и ранее неиспользованных принципов накопления энергии, способных стать частью промышленной энергетики. Для этих материалов и устройств накопления/генерации были определены три ключевых критерия: безопасность, экологичность и эффективность.
Обсуждаемые технологии
Ядерная генерация, топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы и сверхпроводники для генерации энергии (включая применение в термоядерных реакторах) находятся в центре внимания. В условиях зеленой повестки, энергоперехода и растущего дефицита генерации усиливается фокус на развитии накопителей и преобразователей энергии. Активно развивается номенклатура накопителей: суперконденсаторы, проточные батареи, калий- и натрий-ионные аккумуляторы, где ключевым параметром остается удельная запасаемая энергия (отношение энергии к массе или объему), что, видимо, обусловливает тренд на развитие литий-серных батарей. В сфере генерации основной акцент делается на альтернативной генерации с оптимизацией эффективности, в том числе с учетом массогабаритных показателей.
Таким образом, основные обсуждаемые тренды сосредоточены на повышении эффективности, выраженной через коэффициент полезного действия (КПД), особенно в сравнении с тепловыми машинами.
При всем прогрессе в создании и развитии источников энергии и материалов, ключевым фактором остается рыночный спрос. Внедрение технологий должно опираться на потенциал экономического развития и экономическую целесообразность, порой долгосрочную. Например, «Гигафабрики», производящие батареи объемом 1 ГВт⋅ч в год, существенно снижают стоимость электромобилей за счет масштабирования производства, удешевляя их самый дорогой компонент — аккумуляторную батарею.
Также, в настоящее время третья волна интереса к водородной энергетике, стимулированная низкоуглеродной повесткой, привела к повышению КПД водород-воздушных топливных элементов до 60% и выше.
Важно отметить, что такой подход, или глобальная «электрификация», в том числе сочетая технологии, требует развития инфраструктуры. «Электрификация» предполагает, что почти универсальным «топливом» является электричество — его можно получить, используя максимальное количество источников. А сочетание технологий — можно проиллюстрировать на примере гибридных автомобилей, когда энергия в идеальном случае — максимально сбалансировано расходуется: на стоянке, на холостом ходу, когда бензиновый двигатель работает в гибриде — он обогревает салон и заряжает батарею, а когда в классическом автомобиле — это только обогрев.
Гармонизация преобразования энергии для эффективного использования
Многообразие источников тока, по мнению эксперта, должно способствовать развитию «гармоничной» модели энергетики и энергопотребления. Это включает сглаживание цикличности потребления (например, зарядка электромобилей в ночное время) для максимизации эффективности. Данный аспект тесно связан с развитием «умных» сетей источников энергии и накопителей. Особую актуальность это имеет для России, где географические и климатические особенности создают определенные ограничения: солнечная генерация эффективна на юге страны, ветрогенерация — на севере и в приморских и других регионах, что также влияет и может накладывать ограничения на выбор систем накопления энергии.
В этом контексте наблюдается тенденция к развитию маломасштабных технологий. Например, в некоторых моделях предполагается, что электрическая энергия от солнечных панелей может преобразовываться в энергию химических связей (накапливаться в виде водорода). При солнечной погоде возможен электролиз воды (зеленая технология), а накопленный водород затем используется в топливных элементах. Такие станции могут быть небольшими локальными и позволяли бы усилить энергонезависимость и стабильность энергосистемы, уменьшить потребление ископаемого топлива.
Важно отметить, что такой подход — глобальная «электрификация» — требует развития инфраструктуры. «Электрификация» предполагает, что электричество становится почти универсальным «топливом» — его можно получить, используя максимальное количество источников. Эффективность комбинирования технологий хорошо иллюстрирует пример гибридных автомобилей, где энергия используется максимально рационально: на стоянке и холостом ходу бензиновый двигатель не только обогревает салон, как в классическом автомобиле, но и заряжает батарею.
Будущие направления
Прогнозируется снижение доли ископаемых источников энергии при росте ветрогенерации, солнечной и водородной энергетики, с сохранением или небольшим увеличением доли ядерной энергетики. Параллельно будет расширяться разнообразие накопителей с улучшением их характеристик, прежде всего удельной запасаемой энергии и мощности (для некоторых приложений).
Многие из этих применений могут показать повышенную эффективность при использовании сверхпроводников, что, однако, требует масштабирования производства для снижения стоимости и обеспечения долгосрочного экономического эффекта.
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
