Дорога в будущее
Председатель Общества физики Узбекистана, профессор Даврон Матрасулов в своей авторской статье проанализировал состояние дел в области развития возобновляемой энергетики страны, придя к неутешительному выводу – научные исследования отстали от мировых тенденций на 20-25 лет.
"При этом печально отметить, что, так называемый Международный институт солнечной энергии имеет статус "института-невидимки", в чем можно убедиться, поискав публикации института в журналах, входящих в базу данных SCOPUS и посмотрев на его веб-страничку", – пишет автор.
Развитие инновационных технологий для возобновляемой энергетики – залог устойчивого развития экономики и энергетической безопасности
– Сегодня охват возобновляемых источников энергии в энергетическом секторе различных стран становится все больше. Интенсивность внедрения подобных источников энергии не падает даже во время пандемии коронавируса, которая вызвала значительное падения цен на углеводороды, и почти не зависит от конъюнктуры ранка последних. Это обусловлено тем фактом, что, несмотря на различные спекуляции, происходит непрерывное истощение мировых запасов углеводородных источников энергии и неуклонный рост глобального потепления климата.
Данное обстоятельство выводит на передний план одну из важнейших научно-технологических задач – разработку и внедрение эффективных возобновляемых источников, способных конкурировать с традиционными не только в плане коммерческой окупаемости, но и в плане экологической безопасности и гибкости применения.
Несмотря на то, что существует более десяти возобновляемых источников энергии, в качестве перспективных выделяются солнечная, ветряная и водородная источники. При этом в плане практической имплементации водородная энергия пока сильно отстает от первых двух.
Если увеличение эффективности ветряной энергетики сводится к решению ряда инженерных задач, не требуя проведения фундаментальных и прикладных исследований и разработку передовых технологий, то развитие конкурентоспособной солнечной энергетики, особенно фотовольтаики, требует проведение таких исследований как разработка передовых функциональных материалов, позволяющих выполнить высокоэффективную конверсию солнечной энергии в электричество. Также солнечные батареи на основе таких материалов должны обладать гибкостью в применении и быть дешевыми по сравнению с существующими и экологически безопасными.
Сейчас большая часть используемых в быту солнечных батарей основана на использовании кремниевых солнечных ячеек. Однако конверсионная эффективность последних ограничена, и они сильно неудобны в плане применения (большие габариты, отсутствие гибкости, тяжелый вес, экологическая опасность от аккумуляторов, и т.д.).
Поэтому в мире за последние 15-20 лет проводятся интенсивные исследования по разработке фотовольтаических функциональных материалов нового поколения, которые имели бы вышеупомянутые преимущества и были бы значительно дешевле в плане производства. Так, еще в середине девяностых годов прошлого столетия, возникла новая область под названием «органическая фотовольтаика», которая означает разработку солнечных ячеек и батарей на основе проводящих полимеров.
Поскольку использование подобных материалов технологически намного проще и на порядок дешевле, то ожидалось, что органическая фотовольтаика вскоре заменит кремниевую. Однако, несмотря на то, что был бурный рост исследований данной области, такой замены все еще не удалось провести. Причиной тому является ряд факторов, таких как краткость (от 3000 до 6000 часов) времени функционирования органических солнечных ячеек, их быстрая деградация под воздействием ультрафиолетовых излучений и воздействия окружающей среды, а также все еще ограниченная конверсионная эффективность (ниже 12%).
Поэтому сейчас эксперты-ученые работают над увеличением конверсионной эффективности таких ячеек (например, путем замены фуллереновых примесей на другие), а также увеличением их деградационной стойкости. В результаты проводимых за последние 4-5 лет исследований удалось увеличить конверсионный КПД полимерных ячеек до 15%. Ожидается существенное (20% и выше) повышение данного КПД.
Другое направление в органической фотовольтаике, которое возможно приведет к прорывному прогрессу, связано с функциональными материалами, которые называются перовскитами. Данный класс материалов представляет собой минералы, названных в честь русского государственного деятеля графа Л. А. Перовского, который был коллекционером минералов.
Направление фотовольтаики, основанное на функционализации перовскитов сейчас получило название «перовскитной фотовольтаики». Развитие данного направления за последнее 5-6 лет позволило довести конверсионную эффективность гибридных солнечных ячеек на основе полимеров и перовскитов до 22%. В ближайшие 4-5 лет ожидается, что она станет больше 30%, что позволит говорить о замене кремниевых солнечных батарей перовскитными.
Благодаря тому, что, в отличии от кремниевых, тонкопленочные батареи на основе полимеров и перовскитов имеют значительно легкий вес, являются гибкими (например, ими можно покрыть стены и фасад зданий, поверхности электронных устройств, и даже поверхности кейсов и рюкзаков, их можно интегрировать в строительные материалы для стен, фасада и крыши зданий), а также в 10-15 раз дешевле кремниевых (не говоря уже об экологической безопасности), в среднесрочной перспективе они вполне могут заменить кремниевые батареи, что позволит сделать фотовольтаику конкурентоспособнее углеводородной энергетики.
Другой перспективный возобновляемый источник энергии – водород. Идея использования водорода в качестве горючего уходит еще в позапрошлый век. В середине прошлого века водород в качестве мощного и экологически безопасного топлива привлек особое внимание и привел к новому направлению в физике, которое модно назвать физикой водорода (сюда можно отнести проблему металлического водорода, металлических гидритов, проблему водных клатратов для хранения водорода, и т.д.).
Сегодня, благодаря таким факторам как необходимость уменьшения парниковых газов, попыткам наладить низко-углеродную энергетику, уменьшению глобальных запасов углеводородного топлива, можно сказать, что водородная энергетика получила свое «второе возрождение». Ведь среди всех возобновляемых источников энергии водород является идеальным источником, так как при его возгорании образуется только вода. Кроме того, в отличии от фотовольтаических источников энергии, водород можно использовать как топливо.
Поэтому нет сомнений в том, что в средне- или долгосрочной перспективе использование водорода в качестве топлива станет основной частью глобальной энергетики. Однако для достижения подобной цели необходимо решать ряд научных и технологических задач, которые имеют далеко не тривиальные решение.
Чтобы понять уровень сложности научных и технологических проблем, которые следует решать на пути к полноценной водородной энергетике, необходимо обратить внимание на этапы еe имплементации. Для полноценной имплементации водородной энергетики необходимо наладить:
1) Коммерчески эффективное производство (извлечение) водорода;
2) Коммерчески эффективное и безопасное хранение;
3) Безопасную и коммерчески эффективную транспортировку.
Среди этих этапов сравнительно легко решаемым является производство водорода, которое, в простейшем случае, можно осуществить с помощью гидролиза, хотя такой способ на фоне медленного, но неуклонного роста цен на электроэнергию во всем мире, не всегда является коммерчески эффективным, хотя и экологически безопасным.
Коммерческую эффективность такого способа можно увеличить, например, в случае использования электричества атомных реакторов. Поэтому разработаны и разрабатываются множество других способов, большинство из которых являются химическими (например, извлечение водорода из аммиака). Имеются также способы получения водорода из углеводородных материалов, что считается не очень приемлемым с точки зрения экологической чистоты. Налажены также способы производства водорода на основе биомассы и различные биотехнологические способы, а также с помощью пиролиза.
Но при становлении водорода глобальным топливом (каковыми сейчас являются природный газ и нефть), вышеупомянутые способы не смогут отвечать требованиям большого общемирового спроса. Поэтому в настоящее время интенсивно проводятся прикладные исследования, направленные на разработку эффективных способов извлечения водорода.
Использование водородных топливных элементов также является важной компонентой водородной энергетики. Сейчас мировой объем производства водорода в год превышает 100 миллионов тонн, что намного меньше того объема, который позволило бы стать водороду глобальным топливом. Неуклонно растет также объем общемировых инвестиций в водородную энергетику.
Ряд развитых стран, такие как США, Япония и Германия вот уже 15-20 лет имеют дорожную карту развития водородной энергетики. Согласно прогнозу Energy Transitions Commission (ETC), общий объем инвестиций в водородную энергетику к 2050 г. превысит 15 триллионов долларов, достигая при этом своего пика - 800 миллиардов долларов в 2030 году. Следует отметить, что, в зависимости от экологической чистоты, производство водорода делится на голубое и зеленое производства. Последнее все еще является достаточно дорогим для глобальной коммерциализации и трудно окупаемым. Например, объем производства водорода в Евросоюзе путем гидролиза в настоящее время – около 10 миллионов тонн, на что тратится около 300 тераватт.
Другой важный этап водородный энергетики – его транспортировка, существующие способы которой также не отвечают требованиям водородной энергетики при становлении водорода глобальным топливом. Основные рассматриваемые способы транспортировки сейчас включают в себя перенос в танкерах (например, в жидком состоянии) и трубопроводный транспорт.
Последнее приемлемо, ввиду взрывоопасности водорода, в случае транспортировки на близкие расстояния, безопасный транспорт чистого водорода на большие расстояния – предмет прикладных исследований и передовых технологий, которые должны появиться как результат таких исследований. Однако, достигнутые до сих пор результаты таких исследований пока еще далеки от того, чтобы быть приемлемым при глобальной имплементации водородной энергетики.
Наконец, третьей проблемой, которая тесно переплетается с проблемой производства и транспорта водорода, является проблема хранения водорода. Данная проблема означает как саму проблему коммерчески эффективного хранения водорода, используя различные технологии, так и проблему его извлечения из естественных или искусственных источников, а также безопасную транспортировку «хранителей» водорода с последующим его извлечением для конечного пользования.
Среди всех трех проблем, именно проблема хранения является наиболее сложной, наукоемкой и требует имплементации высокотехнологичных методов. Среди множества способов хранения водорода выделяются (с точки зрения коммерческой перспективности) металлические гидриды, водные гидраты, хранение в наноразмерных полостях твердотельных наноматериалов, а также хранение в емкостях под очень высоким давлением.
Несмотря на то, что в единице массы водорода химическая энергия значительно больше, чем она является таковой для углеводородов, хранение водорода в емкостях под высоким давлением невыгодно с коммерческой точки зрения из-за малого веса молекулы водорода. Кроме того, данный метод не отвечает требованиям безопасности (например, при столкновении автомобилей), так как находящийся под высоким давлением водород легко может взрываться при механическом разрыве емкостей.
Другой интенсивно исследуемый способ хранения водорода – использование микро- и наноразмерных пористых твердотельных структур (наноматериалов, наночастиц, и т.д.). Например, сорбция водорода на микропористых, углеродных сорбентах (включая нанотрубки), может, видимо, приводить к значительно бóльшим содержаниям водорода. Однако коммерческая конкурентоспособность такого метода все еще нуждается в значительном улучшении.
Металлические гидриды, которые представляют собой сплавы типа «водород-металл», также являются перспективным материалом для хранения водорода и извлечения водородного топлива. Например, ряд интерметаллических соединений химически связывают водород в очень мягких условиях (низких давлениях и комнатных температурах), при этом прямая и обратная реакции в таких соединениях протекают довольно быстро.
И, наконец. Очень перспективный инновационный способ хранения водорода – использование так называемых клатратных гидратов, которые представляют собой структуры, образующиеся включением молекул водорода, называемых ≪гостями≫, в полости кристаллического каркаса структуры, - ≪хозяевами≫. Другими словами, клатратные гидраты представляют собой соединения включения, кристаллическая решетка которых построена из связанных между собой водородными связами молекул воды.
Несмотря на то, что все вышеупомянутые методы хранения являются очень надежными и достаточно безопасными, ни один них (за исключением хранения в емкостях) пока что не вышел за рамки научных лабораторий. Главной причиной тому является коммерческая неконкурентоспособность водродной энергетики, основанных на подобных методах хранения, обусловленной тем, что углеводородное топливо все еще является достаточно дешевым, чтобы уступить рынок водородному топливу.
Поэтому, для формирования глобального и конкурентоспособного рынка водородного топлива, необходимо либо значительное повышение цен на углеводородные источники энергии, либо существенное улучшение методов производства, хранения и транспортировки водорода, или же становления экологической безопасности источников энергии первейшим приоритетом в глобальном энергетическом секторе. Очевидно, что хотя бы один из этих факторов должен появиться в не очень далеком будущем. Поэтому сейчас растет объем инвестиций в прикладные исследования, направленные на решение технологических проблем водородной энергетики.
Ситуация в Узбекистане
Узнав про такие перспективы возобновляемой энергетики, естественно возникает вопрос о том, как обстоят дела в области исследований по фотовольтаической и водородной энергетике в нашей стране? Могут ли данные тематические направления науки конкурировать с мировыми лидерами, или хотя бы лидерами “второго звена”, каковыми являются ряд развивающихся стран?
К сожалению, ответ на такие вопросы весьма пессимистичный. Ярко выраженной характеристикой исследований в области фотовольтаики в Узбекистане является их отсталость на 20-25 лет от таковых в развитых странах, а также «крошечность» сообщества. Кроме того, почти отсутствуют публикации в ведущих журналах с достаточно высоким импакт-фактором.
В стране фактически отсутствуют научные группы, работающие по органической и перовскитной фотовольтаике тонкопленочных солнечных ячеек, за исключением одной единственной группы из Института Химии и Физики Полимеров, которая работает по полимерной фотовольтаике последние 7-8 лет, а также по перовскитной –последние 3-4 года. Например, мой грубый подсчет показывает, что в Турции имеется более 20 таких научных групп, а в Германии – более 50.
При этом печально отметить, что, так называемый Международный институт солнечной энергии имеет статус «института-невидимки», в чем можно убедиться, поискав публикации института в журналах, входящих в базу данных SCOPUS и посмотрев на его веб-страничку.
Элементарный анализ показывает, что данный институт скорее напоминает нечто между небольшим производственным цехом и консалтинговым агентством по установке солнечных панелей низкого уровня, хотя он должен являться локомотивом в области фотовольтаики и налаживанию исследований по передовым направлениям данной области. Такой факт означает провальность проекта под громким названием «Международный институт солнечной энергии» и неэффективную трату средств, выделенных на данный проект. Я еще 2017 году в своем выступлении по проблемам альтернативной энергетики критиковал данный институт и сейчас можно увидеть, что тогдашняя критика все еще актуальна.
Другие научные группы из других институтов, которые так или иначе имеют отношение к фотовольтаике, также занимаются проблемами, которые давно потеряли актуальность. Отсутствие научных групп и научных результатов по передовым проблемам фотовольтаики, по солнечным ячейкам третьего и нового поколения, наводит на мысль о том, что ни Академия наук, ни Министерство инновационного развития и ни Минвуз не имеют четкой и эффективной политики и четко сформулированных приоритетов по развитию исследований по разработке передовых материалов и технологий для возобновляемых источников энергии.
А это, в свою очередь, означает не эффективную трату средств, выделенных на эти ведомства государством. В этом я лично недавно убедился на примере сотрудничества Общества Физики Узбекистана с Институтом Химии и Физики Полимеров Академии наук. Совместно с данным Институтом Общество подготовило предложение по созданию при Институте научного Центра по передовым функциональным материалам для органической электроники, в котором предлагалась проведение фундаментальных и прикладных исследований в области проводящих полимеров, включая их синтез и создание на их основе солнечных ячеек и устройств органической электроники.
При этом роль Общества Физики сводилась к содействию налаживания сотрудничества Института с Центром Умных Материалов Вуппертала и Институтом Электронных Устройств университета Вуппертала (Вуппертал, Германия). В рамках данного сотрудничества вышеупомянутые организации собирались содействовать оснащению Центра современным оборудованием, помочь в подготовке кадров путем стажировки сотрудников Института в Вуппертале, а также налаживать совместные научные исследования с Институтом.
Учитывая, что данный Центр является одним из ведущих научных центров в мире по полимерным технологиям и органической электроники и имеет богатый опыт по проведению передовых исследований в области фотовальтаики тонкопленочных солнечных ячеек, органической электроники и полимерной физики и технологиям, а также их готовность содействовать в налаживании деятельности нового Центра при Институте, можно было бы не сомневаться в успехе такого сотрудничества. Поэтому вышеупомянутое предложение было представлено в Академию наук вместе с письмом-подтверждением от вышеупомянутого Центра из Германии.
Однако, несмотря на то, что прошло более трех месяцев после подачи предложения, Академия наук так и не реагировала на него, что выглядит очень странным и наводит на нехорошие мысли о способности и желании данного ведомства определить приоритетные направления исследований и налаживанию конкурентоспособной науки. Ведь наличие подтверждения о содействии от одного из ведущих научных центров мира является довольно таки уникальным фактором. Более того, Институт Химии и Физики Полимеров является единственным научным учреждением, которое обладает необходимой кадровой базой, что является еще одним фактором, который обеспечивал бы успех данного проекта.
Примерно такую критическую оценку можно дать о состоянии дел в области водородной энергетики. Если по солнечной энергетике в стране имеется хоть и очень низкого уровня и отсталая наука, то таковой по водородной энергетике просто нет, как в плане фундаментальных, так и в плане прикладных исследований. В свете такого печального факта заметный оптимизм вызывает недавнее Постановление Президента страны, «О мерах по развитию возобновляемой и водородной энергетики в Республике Узбекистан».
Однако, ввиду полного отсутствия в стране ученых и экспертов по водородной энергетике, научной базы, а также нерешенности целого ряда проблем даже на мировом уровне, налаживание развития водородной энергетики в стране требует, прежде всего, создание небольшой научной «ниши», которая стала бы в дальнейшем костяком, обеспечивающим полноценное развитие данного направления альтернативной энергетики в стране.
Только тогда вышеупомянутое Постановление может стать «спусковым крючком» для развития водородной энергетики в стране. Касаясь современного состояния и перспектив дальнейшего развития исследований по возобновляемым источникам энергии, особенно вышеупомянутых направлений в нашей стране, можно отметить наличия явного застоя. В этом можно убедиться прочитав критический анализ данного направления, опубликованного мной еще в 2017 году. Более 90% проблем, поднятых в данном анализе, все еще остаются нерешенными.
С целью содействия развития в стране тонкопленочной фотовольтаики на основе полимерных и перовскитных материалов, а также полноценного научного фундамента для возникновения водородной энергетики, Общество Физики Узбекистана регулярно проводило международные конференции по вопросам функциональных материалов для возобновляемых источников энергии в 2012, 2014, 2015 и 2016 годах, в которых принимали участие ведущие в мировом масштабе ученые-эксперты по различным аспектам возобновляемых источников энергии и их имплементации.
Кроме того, недавно начато проведение регулярного онлайн-коллоквиума под названием «Передовые функциональные материалы для возобновляемой энергетики и органической электроники». На данном коллоквиуме лекции по актуальным проблемам источников возобновляемой энергии и их внедрения представляют ведущие мировые ученые-эксперты из крупнейших научных центров Европы, США, Японии, Кореи, и т.д. Так, 30 июня прошла лекция крупного эксперта по органической и перовскитной фотовольтаике из университета Вюрзбурга (Wurzburg, Германия), а 2 июля прошла лекция крупнейшего в мире ученого по водородной энергетики, вице-президента Международной ассоциации водородной энергетики из Японии.
Путем проведения таких международных конференций и коллоквиумов с участием ученых с мировым именем, Общество Физики создает площадку для налаживания сотрудничества отечественного академического сообщества (особенно молодых ученых) с их зарубежными коллегами, которые имеют богатый опыт проведения фундаментальных и прикладных исследований по вопросам возобновляемых источников энергии. Мы очень надеемся, что такие меры позволят вывести отечественное академическое сообщество физиков и связанных с физикой областей науки из «сонного» и инертного состояния.
Правила комментирования
comments powered by Disqus