Віртуальна лабораторія. Виклики реального світу

— Які основні проблеми в дослідженнях накопичення енергії?

— Це залежить від того, для чого призначений запас енергії. Одне із застосувань — електромобілі, і я б сказав, що ми досягли переломного моменту, коли ніхто більше не буде створювати автомобільну компанію на базі двигуна внутрішнього згоряння. Але навіть у цьому випадку, коли ви купуєте електромобіль, близько половини його вартості становить акумулятор.

Необхідно знизити цю вартість, і це вже відбувається — це відбувається з розвитком сучасних технологій, таких як літій-іонні батареї, і це може статися з проривом у батареях наступного покоління. Літій-іонні акумулятори — це не окрема технологія, а сімейство технологій, і в якийсь момент — можливо, найближчими кількома роками — вони перетворяться на щось, що можна назвати твердотільною батареєю, яка буде безпечнішою, легшою і набагато ефективнішою.

Потім ви переходите до складніших речей, і, що цікаво, це не проблеми накопичення енергії, як такі — вони пов'язані з інтеграцією поновлюваних джерел енергії в електричну мережу. З вітром і сонцем будуть довгі періоди, коли ви не генеруватимете багато енергії, а також будуть суттєві періоди, коли ви генеруватимете більше, ніж зможете використовувати.

Наприклад, влітку 2018 року погода у Великій Британії була дуже спекотною, дуже сухою і не дуже вітряною — хороша для сонячної енергії, і не дуже хороша для гідро- або вітрової енергії. Протягом коротких періодів батареї є розумними системами зберігання відновлюваної енергії. Джерела збереженої гідроенергії наразі значною мірою витрачені, а інші, аналогічно до механічних, володіють власною ефективністю, так що ми майже напевно перейдемо в електрохімічне сховище. Побічним ефектом є те, що хімічні речовини, які ви використовуєте, такі як аміак, корисні самі по собі. Це дозволяє вам почати декарбонізацію якоїсь важкої промисловості, що становить третину економіки, яку буде найважче електрифікувати.

— Чому так важливо вирішувати ці проблеми?

— Я не хотів би сказати, що хвиля тепла обов'язково була пов'язана зі зміною клімату, але здебільшого ми маємо перейти до більш стійкої економіки. Востаннє у нас була стійка економіка, ймовірно, в 15 або 16 столітті, коли всі подорожували на конях і возах. Я думаю, що зберігання електроенергії є ключем до того, щоб ми могли використовувати сучасні технології на стійкій основі.

Наша здатність виробляти електроенергію з відновлюваних джерел — сонячної, вітрової — швидко зростає, але технології зберігання повинні йти в ногу з часом, якщо ми хочемо здійснити перехід. В іншому випадку — ми зупинимося. Ми вже бачили це в Німеччині, де вони поставили багато поновлюваних джерел енергії в мережу, а потім мали підкріпити їх вугіллям.

— Яка буде роль інституту Фарадея?

— Наша мета полягає в тому, щоб прискорити розробку та впровадження технологій накопичення енергії, і ми намагаємося це зробити трьома способами. Одним із них є створення значних дослідницьких програм, орієнтованих на місію.

Ми зосередилися на проблемах, які, на нашу думку, можуть стати важливими в найближчі кілька років, і ми намагаємося об'єднати великі групи людей, щоб працювати над ними організовано. Ще одним напрямком є навчання та освіта.

Світ потребуватиме набагато більшої кількості людей, які знаються на батареях, і я маю на увазі не лише докторів наук з електрохімії — це має бути дуже широка група, що охоплює техніків, механіків, фахівців з надання першої допомоги та інших. Нам також необхідно вплинути на те, як ці технології сприймаються з погляду освіти і різноманітності, щоб бути впевненими в тому, що ми отримуємо правильних людей, які виходять на поле діяльності.

Третє, що ми робимо, це даємо поради щодо політики з цифрами. Ми можемо допомогти пояснити наслідки впровадження технологій і пояснити політичні наслідки ухвалення різних рішень. Це важливо, тому що багато чого з того, що вам потрібно зробити, щоб вивести технологію на ринок, полягає не тільки у винайденні речей, а й також у забезпеченні правильної нормативно-правової бази та правильної політики.

— Ви зіграли важливу роль у створенні іншої організації з аналогічною місією, «Об'єднаного центру досліджень у галузі накопичення енергії (JCESR)» в Арагонській національній лабораторії в США. Чим відрізняється інститут Фарадея?

— Дослідницька програма JCESR, імовірно, перебуває на більш фундаментальному кінці спектра, але вона заснована на схожій ідеї: взяти непросту задачу, залучити велику групу людей, щоб попрацювати над нею і докласти чимало зусиль. Ключова відмінність полягає в тому, що з інститутом Фарадея ми, по суті, намагаємося створити віртуальну національну лабораторію.

У США у вас є енергетичні лабораторії, такі, як Арагон, Оук-Рідж і Берклі, і в них є місія, спонукувана суспільним благом, так і визначено федеральним урядом.

У Великій Британії уряд має стратегію для промислових досліджень і розробок, але не має прямого механізму залучення спільноти до цього. Звичайно, він може висувати заклики до пропозицій через дослідницькі ради, але вони, за визначенням, є відносно невеликими.

Ідея інституту Фарадея полягає в тому, щоб стати цією національною лабораторією, але ми не хотіли створювати багато цегли та будівельного розчину, бо дослідницькі можливості у Великій Британії здебільшого зосереджені в університетах та промисловості, а не в державних установах. Модель, яка у нас є — і це справді експериментальна частина — полягає в тому, щоб спробувати об'єднати співтовариство, яке працює, як національна лабораторія, але без того, щоб усі перебували в одній будівлі. Ми хочемо, щоб люди так думали — співпрацювали всередині країни, ефективно працювали, обмінювалися ідеями, кидали виклик один одному та загалом вибудовували стосунки в доволі фрагментованому стані досліджень в університетській системі Великої Британії. Це трохи схоже на JCESR, тому що JCESR — це так званий «центр», з дослідженнями, розподіленими по п'яти національних лабораторіях і п'яти або шести університетах, з кількома компаніями як партнерами. Ми просто збільшили це.

— Ви згадали об'єднання людей. Більшу частину роботи з накопичення енергії виконують вчені-матеріалознавці, хіміки та інженери. Як ви думаєте, що фізики додадуть до цього?

— Фізикам подобається робити обчислення за межами і вивчати основи речей, але я думаю, що головне, що можуть зробити фізики в цій галузі, — це інтеграція. Ось особистий приклад. Я працював над оксидними матеріалами для надпровідності та магнетизму протягом довгого часу, і виявилося, що ті ж самі класи матеріалів насправді є катодами батарей. Але спільнота електрохіміків, які працюють на катодах батарей, і спільнота матеріалознавців, які працюють над надпровідністю, не спілкуються. У цьому спектрі є знання різних видів, від електрохімії до матеріалознавства, але їх необхідно інтегрувати.

Крім того, я думаю, що дослідження батареї досягло цікавої стадії. Протягом довгого часу воно було значною мірою емпіричним, заснованим на наборах принципів, які розуміють електрохіміки, але було дуже мало розробок з точки зору отримання мікроскопічного розуміння того, що відбувається. Зараз ми перебуваємо на етапі, коли дійсно варто інвестувати в розуміння того, як працює акумулятор. Це може здатися дивним, але дозвольте мені нагадати вам, що, хоча напівпровідникова технологія з'явилася на транзисторі в 1950-х роках, а інтегральні схеми з'явилися за 15 років після цього, лише в 1980-х роках дрібний квантовий ефект було виявлено. Можливість вивчити цю проблему з'явилася тільки завдяки величезним інвестиціям у напівпровідникову техніку.

Якщо ви подивитеся на те, що зараз відбувається з акумуляторною технологією, то тут застосовується безліч фізичних інструментів, і це дуже цікава сфера для фізиків, тому що ви змушені думати про проблему, яка не є традиційною фізикою.

— Ви згадали і технологію, і політику як важливі складові. Як ви думаєте, де знаходяться найбільші проблеми?

— Я думаю, що технологічна проблема є стандартною: ви дійсно можете це зробити? Ми знаємо, що немає жодних правил проти будівництва батарей, які в п'ять чи шість разів щільніші за енергією, ніж ті, що ми маємо зараз, тож це мало б бути лише питання боротьби з цим простором. Однак перетин із політикою дуже важливий. Як приклад давайте розглянемо переробку.

У всьому світі планують електрифікувати близько двох третин своїх автомобілів до 2035 або 2040 року, тому приблизно до цього часу нам буде потрібно виробляти приблизно 10 мільйонів тонн акумуляторів і акумуляторних матеріалів на рік. Для порівняння: світове виробництво кремнію становить 8 мільйонів тонн, а алюмінію — 63 мільйони тонн, тому, якщо технологія акумуляторів не зміниться швидше, ми використовуватимемо значну частку нікелю у світі тільки для автомобілів.

Це явно має величезні наслідки в усьому, починаючи від геополітики і закінчуючи переробкою, і цілком очевидно, що якщо ви не зробите це правильно, ви зупинитеся. Наразі ми боремося, тому що виробники батарей видобувають кобальт із шахт у Конго, і це просто неприйнятно. В іншому місці є кобальт, і нам потрібно отримати його з інших місць або зменшити кількість кобальту, що використовується в батареях. Це технологічна зміна, і вона може бути зроблена.

В урбанізованих країнах, таких як Великобританія, люди турбуються про заряджання електромобілів; є скарги, що навіть швидке заряджання займає 30 хвилин, і це набагато довше, ніж заправка вашого автомобіля на заправній станції. Але зарядка не дуже складна, і якщо ви поговорите з людьми, які володіють електромобілями, вони скажуть вам, що кількість разів швидкої зарядки, як правило, дуже мала.

Однак існує проблема інфраструктури, пов'язана з інтеграцією транспортних засобів в електричну мережу, і у Великій Британії також говорять про додавання ще 30 ГВт енергії вітру в морі до генеруючої потужності. Це буде досить просто зробити; принаймні, в принципі, ми знаємо, як це зробити. Проблема полягає в тому, що якщо ви отримуєте 50 або 60% британської електроенергії, що надходить від вітру, вам необхідно змінити інтеграцію сховища, щоб воно того вартувало. Наразі ми стимулюємо виробників вітру виробляти енергію вітру, сплачуючи їм, навіть якщо у них вимкнуті турбіни, замість того, щоб стимулювати їх генерувати більше енергії і зберігати додаткові електрони. Тож є багато аспектів, де політика та регулювання повинні будуть співпрацювати разом із технологіями.

— Коли ми побачимо вплив досліджень інституту Фарадея на комерційну сферу?

— Ми дійсно націлені на довгостроковий і швидкий вплив, особливо для нових технологій, таких як твердотільні батареї. Я думаю, що інші речі можуть мати незначний вплив набагато раніше. Наприклад, більш ефективні системи управління батареями можуть вплинути, просто допомагаючи вашій батареї протриматися на 10% довше. Я також думаю, що ми матимемо великий вплив з точки зору людей.

Ми справді хочемо підготувати нове покоління вчених та інженерів — електрохіміків, інженерів-електриків, матеріалознавців, фізиків, математиків та комп'ютерників. Нам потрібні люди, які хоч трохи розуміються на всьому цьому, але також мають професійний досвід в одній галузі.