• Вы находитесь тут:
  • Sci314
  • Интервью
  • Виртуальная лаборатория. Вызовы реального мира
Питер Литтлвуд

Виртуальная лаборатория. Вызовы реального мира

Физик Питер Литтлвуд является основателем Института Фарадея, который был создан в 2017 году как «виртуальная национальная лаборатория» Великобритании для науки и техники в области накопления энергии.
Питер Литтлвуд

— Каковы основные проблемы в исследованиях накопления энергии?

— Это зависит от того, для чего предназначен запас энергии. Одно из применений — электромобили, и я бы сказал, что мы достигли переломного момента, когда никто больше не будет создавать автомобильную компанию на базе двигателя внутреннего сгорания. Но даже в этом случае, когда вы покупаете электромобиль, около половины его стоимости составляет аккумулятор.

Необходимо снизить эту стоимость, и это уже происходит — это происходит с развитием современных технологий, таких как литий-ионные батареи, и это может произойти с прорывом в батареях следующего поколения. Литий-ионные аккумуляторы — это не отдельная технология, а семейство технологий, и в какой-то момент — возможно, в ближайшие несколько лет — они превратятся в нечто, что можно назвать твердотельной батареей, которая будет более безопасной, легкой и намного эффективнее.

Затем вы переходите к более сложным вещам, и, что любопытно, это не проблемы накопления энергии, как таковые — они связаны с интеграцией возобновляемых источников энергии в электрическую сеть. С ветром и солнцем будут долгие периоды, когда вы не будете генерировать много энергии, а также будут существенные периоды, когда вы будете генерировать больше, чем сможете использовать.

Например, летом 2018 года погода в Великобритании была очень жаркой, очень сухой и не очень ветреной — хорошая для солнечной энергии, и не очень хорошая для гидро- или ветровой энергии. В течение коротких периодов батареи являются разумными системами хранения возобновляемой энергии. Источники хранимой гидроэнергии в настоящее время в значительной степени израсходованы, а другие, аналогично механическим, обладают собственной эффективностью, так что мы почти наверняка перейдем в электрохимическое хранилище. Побочным эффектом является то, что используемые вами химические вещества, такие как аммиак, полезны сами по себе. Это позволяет вам начать декарбонизацию какой-то тяжелой промышленности, что составляет треть экономики, которую будет наиболее трудно электрифицировать.

— Почему так важно решать эти проблемы?

- Я не хотел бы сказать, что волна тепла обязательно была связана с изменением климата, но в основном мы должны перейти к более устойчивой экономике. В последний раз у нас была устойчивая экономика, вероятно в 15 или 16 веке, когда все путешествовали на лошадях и телегах. Я думаю, что хранение электроэнергии является ключом к тому, чтобы мы могли использовать современные технологии на устойчивой основе.

Наша способность вырабатывать электроэнергию из возобновляемых источников — солнечной, ветровой — быстро растет, но технологии хранения должны идти в ногу со временем, если мы хотим осуществить переход. В противном случае — мы остановимся. Мы уже видели это в Германии, где они поставили много возобновляемых источников энергии в сеть, а затем должны были подкрепить их углем.

— Какова будет роль института Фарадея?

- Наша цель состоит в том, чтобы ускорить разработку и внедрение технологий накопления энергии, и мы пытаемся это сделать тремя способами. Одним из них является создание значительных исследовательских программ, ориентированных на миссию.

Мы сосредоточились на проблемах, которые, по нашему мнению, могут стать важными в ближайшие несколько лет, и мы пытаемся объединить большие группы людей, чтобы работать над ними организованно. Еще одним направлением является обучение и образование.

Мир будет нуждаться в гораздо большем количестве людей, которые разбираются в батареях, и я имею в виду не только докторов наук по электрохимии — это должна быть очень широкая группа, охватывающая техников, механиков, специалистов по оказанию первой помощи и других. Нам также необходимо повлиять на то, как эти технологии воспринимаются с точки зрения образования и разнообразия, чтобы быть уверенными в том, что мы получаем правильных людей, выходящих на поле деятельности.

Третье, что мы делаем, это даем советы по политике с цифрами. Мы можем помочь объяснить последствия внедрения технологий и объяснить политические последствия принятия различных решений. Это важно, потому что многое из того, что вам нужно сделать, чтобы вывести технологию на рынок, заключается не только в изобретении вещей, но также в обеспечении правильной нормативно-правовой базы и правильной политики.

Вы сыграли важную роль в создании другой организации с аналогичной миссией, «Объединенного центра исследований в области накопления энергии (JCESR)» в Арагонской национальной лаборатории в США. Чем отличается институт Фарадея?

- Исследовательская программа JCESR, вероятно, находится на более фундаментальном конце спектра, но она основана на схожей идее: взять непростую задачу, привлечь большую группу людей, чтобы поработать над ней и приложить немало усилий. Ключевое отличие состоит в том, что с институтом Фарадея мы, по сути, пытаемся создать виртуальную национальную лабораторию.

В США у вас есть энергетические лаборатории, такие, как Арагон, Оук-Ридж и Беркли, и у них есть миссия, движимая общественным благом, так и определено федеральным правительством.

В Великобритании у правительства есть стратегия для промышленных исследований и разработок, но у него нет прямого механизма вовлечения сообщества в это. Конечно, оно может выдвигать призывы к предложениям через исследовательские советы, но они, по определению, являются относительно небольшими.

Идея института Фарадея заключается в том, чтобы стать этой национальной лабораторией, но мы не хотели создавать много кирпича и строительного раствора, потому что исследовательские возможности в Великобритании в основном сосредоточены в университетах и ​​промышленности, а не в государственных учреждениях. Модель, которая у нас есть — и это действительно экспериментальная часть — состоит в том, чтобы попытаться объединить сообщество, которое работает, как национальная лаборатория, но без того, чтобы все находились в одном здании. Мы хотим, чтобы люди так думали — сотрудничали внутри страны, эффективно работали, обменивались идеями, бросали вызов друг другу и в целом выстраивали отношения в довольно фрагментированном состоянии исследований в университетской системе Великобритании. Это немного похоже на JCESR, потому что JCESR — это так называемый «центр», с исследованиями, распределенными по пяти национальным лабораториям и пяти или шести университетам, с несколькими компаниями в качестве партнеров. Мы просто увеличили это.

— Вы упомянули объединение людей. Большая часть работы по накоплению энергии выполняется учеными-материаловедами, химиками и инженерами. Как вы думаете, что физики добавят к этому?

- Физикам нравится делать вычисления за пределами и изучать основы вещей, но я думаю, что главное, что могут сделать физики в этой области, — это интеграция. Вот личный пример. Я работал над оксидными материалами для сверхпроводимости и магнетизма в течение долгого времени, и оказалось, что те же самые классы материалов на самом деле являются катодами батарей. Но сообщество электрохимиков, которые работают на катодах батарей, и сообщество материаловедов, которые работают над сверхпроводимостью, не общаются. В этом спектре есть знания разных видов, от электрохимии до материаловедения, но их необходимо интегрировать.

Кроме того, я думаю, что исследование батареи достигло интересной стадии. В течение долгого времени оно было в значительной степени эмпирическим, основанным на наборах принципов, которые понимают электрохимики, но было очень мало разработок с точки зрения получения микроскопического понимания того, что происходит. Сейчас мы находимся на этапе, когда действительно стоит инвестировать в понимание того, как работает аккумулятор. Это может показаться странным, но позвольте мне напомнить вам, что, хотя полупроводниковая технология появилась на транзисторе в 1950-х годах, а интегральные схемы появились спустя 15 лет после этого, лишь в 1980-х годах дробный квантовый эффект был обнаружен. Возможность изучить эту проблему появилась только благодаря огромным инвестициям в полупроводниковую технику.

Если вы посмотрите на то, что сейчас происходит с аккумуляторной технологией, то здесь применяется множество физических инструментов, и это очень интересная область для физиков, потому что вы вынуждены думать о проблеме, которая не является традиционной физикой.

— Вы упомянули и технологию, и политику как важные составляющие. Как вы думаете, где находятся самые большие проблемы?

- Я думаю, что технологическая проблема является стандартной: вы действительно можете это сделать? Мы знаем, что нет никаких правил против строительства батарей, которые в пять или шесть раз более плотны по энергии, чем те, которые мы имеем сейчас, поэтому это должен быть только вопрос борьбы с этим пространством. Однако пересечение с политикой очень важно. В качестве примера давайте рассмотрим переработку.

Во всем мире планируется электрифицировать около двух третей своих автомобилей к 2035 или 2040 году, поэтому примерно к этому времени нам потребуется производить порядка 10 миллионов тонн аккумуляторов и аккумуляторных материалов в год. Для сравнения: мировое производство кремния составляет 8 миллионов тонн, а алюминия — 63 миллиона тонн, поэтому, если технология аккумуляторов не изменится быстрее, мы будем использовать значительную долю никеля в мире только для автомобилей.

Это явно имеет огромные последствия во всем, начиная от геополитики и заканчивая переработкой, и совершенно очевидно, что если вы не сделаете это правильно, вы остановитесь. На данный момент мы боремся, потому что производители батарей добывают кобальт из шахт в Конго, и это просто неприемлемо. В другом месте есть кобальт, и нам нужно получить его из других мест или уменьшить количество кобальта, используемого в батареях. Это технологическое изменение, и оно может быть сделано.

В урбанизированных странах, таких как Великобритания, люди беспокоятся о зарядке электромобилей; есть жалобы, что даже быстрая зарядка занимает 30 минут, и это намного дольше, чем заправка вашего автомобиля на заправочной станции. Но зарядка не очень сложна, и если вы поговорите с людьми, которые владеют электромобилями, они скажут вам, что количество раз быстрой зарядки, как правило, очень мало.

Однако существует проблема инфраструктуры, связанная с интеграцией транспортных средств в электрическую сеть, и в Великобритании также говорят о добавлении еще 30 ГВт энергии ветра в море к генерирующей мощности. Это будет довольно просто сделать; по крайней мере, в принципе, мы знаем, как это сделать. Проблема заключается в том, что если вы получаете 50 или 60% британской электроэнергии, поступающей от ветра, вам необходимо изменить интеграцию хранилища, чтобы оно того стоило. В настоящее время мы стимулируем производителей ветра производить энергию ветра, платя им, даже если у них отключены турбины, вместо того, чтобы стимулировать их генерировать больше энергии и хранить дополнительные электроны. Так что есть много аспектов, где политика и регулирование должны будут сотрудничать вместе с технологиями.

— Когда мы увидим влияние исследований института Фарадея на коммерческую сферу?

- Мы действительно нацелены на долгосрочное и быстрое воздействие, особенно для новых технологий, таких как твердотельные батареи. Я думаю, что другие вещи могут оказать незначительное влияние гораздо раньше. Например, более эффективные системы управления батареями могут оказать влияние, просто помогая вашей батарее продержаться на 10% дольше. Я также думаю, что мы будем иметь большое влияние с точки зрения людей.

Мы действительно хотим подготовить новое поколение ученых и инженеров — электрохимиков, инженеров-электриков, материаловедов, физиков, математиков и компьютерщиков. Нам нужны люди, которые хоть немного разбираются во всем этом, но также имеют профессиональный опыт в одной области.

  • Вы находитесь тут:
  • Sci314
  • Интервью
  • Виртуальная лаборатория. Вызовы реального мира
  • Вы находитесь тут:
  • Sci314
  • Интервью
  • Виртуальная лаборатория. Вызовы реального мира