Технологические пионеры нового энергетического уклада. Часть 2
Новые возможности технологий энергоперехода
Под видимой поверхностью энергетического перехода, который только кажется масштабным внедрением ВИЭ и электротранспорта, скрываются огромные пласты новых технологий и практик. Первая часть статьи, посвященной этому скрытому технологическому ландшафту, показывала экономические возможности, которые открывает энергетический переход, и на примере авиакосмической техники демонстрировала переход к новым энергоносителям с существенно большей плотностью энергии.
Во второй части статьи мы приводим обзор пионеров нового уклада по версии Bloomberg New Energy Finance и разбираем, какие новые эффекты обещают передовые технологии, связанные с более точным и точечным применением энергии к материалам и технологическим процессам.
Пионеры нового технологического пакета
Технологии, обеспечивающие кратный рост энергетических возможностей, и позволяющие сделать эффективными новые типы практик, ищут сегодня далеко не только в авиации и космонавтике. В апреле BNEF назвал победителей своего ежегодного конкурса технологий, находящихся на сравнительно ранних стадиях разработки, «Pioneers Award» [1]. В 2023 году победу присудили 12 технологическим компаниям в 4 номинациях:
- Ускоренное внедрения практик «зелёного» водорода;
- Климатически-нейтральное производство металлов и материалов для электрифицированного будущего;
- Углеродно-нейтральные пищевые производства и сельскохозяйственные решения;
- «Джокер»: неожиданные решения по «устойчивому» производству материалов и «удалению» углерода.
Практически все технологии, создаваемые победителями конкурса, нацелены на интенсификацию энергоемких процессов и при этом снижение их углеродного следа. Обратим внимание на наиболее интересные решения, непосредственно касающиеся энергетики.
«Зеленый» водород
Победителями в первой, водородной, номинации стали компании, создающие оригинальные решения для производства и использования водорода:
1. Американский стартап Mainspring Energy из Кремневой долины разрабатывает необычный источник энергии на базе линейного генератора и мульти-топливного двигателя внутреннего сгорания оригинальной конструкции. Особенностью генератора является то, что в нем происходят каталитические реакции окисления топлива, а не горение, и с одной стороны топливно-воздушная смесь разогревается и работает на расширение, обеспечивая движение «ротора» линейного генератора, но, с другой стороны, температура в цилиндрах поддерживается ниже 1500°С, и образования NOx практически не происходит [2].
2. Сингапурская компания Sun Green занимается изготовлением электродов и каталитических слоев для щелочных, PEM- и AEM-электролизеров, обещая удешевить стек в 2 раза, в 30 раз снизить расход платиновых металлов и на 10% снизить удельный расход энергии на производство водорода [3]. Ноу-хау компании связано с технологией производства электродов, при которой получается специально структурированная развитая поверхность электрода.
3. Израильский стартап H2Pro также работает в сфере технологий производства водорода и ведет работы по необычной двухступенчатой схеме E-TAC для электролиза воды с внешним подводом тепла [4]. В предлагаемом электро-термохимическом цикле на первом этапе при 25°С проводится электролиз воды в системе с анодом, покрытым гидроксидом никеля Ni(OH)2, который окисляется до метагидроксида никеля Ni2O3·H2O, при этом на катоде выделяется водород согласно следующим реакциям [5]:
На второй стадии при внешнем подводе тепла и температуре 95°С метагидроксид никеля восстанавливается обратно до гидроксида никеля с выделением кислорода согласно реакции:
Эта реакция замыкает цикл разложения воды, который, по заверениям разработчиков, позволяет снизить удельный расход энергии на производство водорода с нынешних 50–55 кВт·ч/кг до 40 кВт·ч/кг с учетом подвода тепла на нагревание и всех тепловых потерь при снижении стоимости электролизера на 40% в сравнении с PEM-электролизерами.
Новая химия для металлургии
Во второй номинации — про материалы для энергетики — победили технологии, связанные с извлечением металлов из бедных руд и промышленных отходов:
1. Канадская компания Li-Cуcle специализируются специализируется на технологиях переработки литий-ионных аккумуляторов. Технологическое решение компании состоит в сочетании гидрометаллургических процессов, в ходе которых получаются на разных стадиях товарные анодная и катодная массы (смесь лития, никеля, кобальта, графита, меди и алюминия), смесь меди с алюминием, а также чистые карбонат лития, сульфат кобальта, сульфат никеля и карбонат марганца [6]. Компания владеет активами в Онтарио, Нью-Йорке, Аризоне и Алабаме и строит заводы в Норвегии, Германии и Великобритании.
2. Американская компания Jetti Resources занимается извлечением меди из бедных месторождений при помощи биотехнологии: используются литотрофы и ферроксиданты — микроорганизмы, окисляющие медную руду [7]. Затем используется каталитическая технология, разработанная совместно с Университетом Британской Колумбии, и основанная на образовании p-n-переходов на поверхности халькопирита CuFeS2 в ходе его переработки [8].
3. Стартап Nth Cycle из США использует технологию электро-экстракции Oyster™ для переработки металлосодержащих бытовых и промышленных отходов, включая аккумуляторы, и бедных руд с получением 23 типов переходных, редкоземельных, драгоценных и платиновых металлов от меди и золота до иттрия и неодима [9].
Углеродно-нейтральная еда
В наиболее оригинальной — продовольственной — номинации победителями стали компании, работающие на стыке роботизации, биотехнологии и современной энергетики:
1. Фирма Precision Ai из Канады предлагает роевые системы дронов, управляемых при помощи слабого искусственного интеллекта, для точечного мониторинга за состоянием сельскохозяйственных угодий, полива и опрыскивания посадок [10]. Предлагаемая система полностью роботизирована и автономна, включает сети зарядных станций и станций заправки дронов компонентами для полива, флот дронов и настраиваемую систему автоматического управления.
2. Немецкий стартап Micro Harvest создает роботизированные биотехнологические производства протеинов для добавления в корма и пищевые продукты [11]. По существу, речь идет о создании автоматического производства кастомизированных продуктов питания, обогащенных необходимыми протеинами.
3. Необычный подход к проблеме декарбонизации сельского хозяйства предлагает австралийская компания Future Feed, использующая генетически модифицированные красные водоросли из рода Аспарагопсис в качестве добавки в корм крупного и мелкого рогатого скота и получающая за счет этого снижение выбросов метана до 80% при добавлении 5 г водорослей на 1 кг корма [12].
Декарбонизация и утилизация углекислого газа
Среди компаний-джокеров, продемонстрировавших новые решения для преодоления климатического вызова, BNEF выделил трех победителей из США, работающих с технологиями утилизации углекислого газа:
1. Travertine Technologies занимается электрохимической технологией утилизации углекислоты с использованием сульфатных отходов, в ходе которой получается серная кислота, водород и кислород, а также карбонаты для строительных материалов [13].
2. Sublime Systems разработала углеродно-нейтральный процесс электрифицированного производства цемента, в котором используется ноу-хау при производстве извести [14]. По утверждению компании, это не только на 75% снижает выбросы СО2 при производстве извести для цемента, но также снижает расход энергии на этот процесс [15].
3. Electra создала низкотемпературный (60°С) электро-гидрометаллургический процесс переработки низкокачественных железных руд в чистое железо для использования в электродуговых печах при выплавке стали [16].
Актуальные выводы
Мы видим, что под вершиной айсберга перехода к новому технологическому укладу, который в части энергетики нам кажется масштабным приходом ВИЭ и электротранспорта, скрываются огромные пласты новых технологий и практик. Часть из них связана с переходом к новым энергоносителям с существенно большей плотностью энергии, чем у привычных энергоносителей. Другая часть связана с более точным и точечным применением энергии к материалам и технологическим процессам, что позволяет достичь новых уровней энергоэффективности.
Следует ожидать в ближайшее десятилетие появления новых технологий и практик, использующих эти энергетические возможности. Прежде всего, это коснется различных направлений мобильности — авиаперевозок, наземных транспортных средств, роботов, БПЛА, космических ракет. Значительных эффектов стоит ожидать в промышленности и в сельском хозяйстве в связи с их глубокой роботизацией и электрификацией. Именно это станет основным драйвером нового экономического роста, но не простое замещение старой энергетики на новую низко-углеродную. Эффект выразится в кратном росте производительности труда в странах-лидерах нового технологического уклада.
В России за последние десятилетия не удалось преодолеть отставание от экономик развитых стран по производительности труда, отражающей качественный уровень совершенства хозяйственной системы. В настоящее время по этому показателю мы отстаем, к примеру, от США в 2,8 раз [17]. По мере становления нового технологического уклада в странах-лидерах этот разрыв будет только нарастать. В этой связи все более очевидной становится необходимость диверсификации экономики и развития собственных высокотехнологичных производств России. А для этого важно определиться с собственными технологическими ставками, в т.ч. в сфере энергетики. Иначе страна рискует не только не получить свою долю на новых рынках, но и оказаться тотальным импортером оборудования и технических решений из нового пакета. Вне зависимости от отношения к климатическому вызову, новых уклад, связанный с ростом технической эффективности, придет на смену нынешнему, и в этом укладе нам необходимо найти свое адекватное место.
Авторы: Игорь Чаусов, Дмитрий Холкин
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России.
Источники:
[1] https://about.bnef.com/blog/bloombergnef-announces-12-climate-innovators-as-the-winners-of-the-2023-bnef-pioneers-award/
[2] https://www.mainspringenergy.com/technology/
[3] https://www.sungreenh2.com/#technology
[4] https://www.h2pro.co/technology
[5] Dotan, H., Landman, A., Sheehan, S.W. et al. Decoupled hydrogen and oxygen evolution by a two-step electrochemical–chemical cycle for efficient overall water splitting. Nature Energy, 4, pp. 786–795 (2019)
[13] https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/cen-10039-cover10
[14] https://sublime-systems.com/
[15] https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-01-17/boston-startup-raises-40-million-to-develop-low-carbon-cement
[16] https://www.electra.earth/technology/
[17] https://www.economy.gov.ru/material/directions/nacionalnyy_proekt_proizvoditelnost_truda/
