Химера Амстердама: в чем проблема возобновляемых источников энергии
Стадион Johan Cruijff ArenA в Амстердаме оборудовали солнечными батареями и аккумуляторами для накопления энергии. Система способна накопить столько энергии, чтобы полностью обеспечить питание стадиона ArenA в течение одного часа во время масштабных мероприятий, то есть, когда потребление энергии достигает максимума, распределяясь на свет, звук, системы обеспечения безопасности и так далее. В обычном режиме — и того дольше.
Вторая жизнь аккумуляторов
Это не просто очередной проект с применением солнечных батарей, а эксперимент нескольких крупных международных компаний. Идея проста. В электромобилях аккумуляторы имеют значительную емкость и когда их характеристики падают, их еще можно использовать для других целей. В данном случае используются элементы из аккумуляторов электромобиля Nissan Leaf, которые подлежат замене по достижении пробега в 160 000 км или по факту снижения емкости на 20%. Инженеры решили, что после этого они еще отлично подойдут для запасания энергии в менее жестких условиях.
Американская корпорация Eaton, производящая в том числе автокомплектующие и компоненты для авиационной промышленности, разработала с Nissan систему сохранения энергии — xStorage. Nissan предоставила новые и отслужившие свой срок элементы аккумуляторов электромобилей. Немецкая The Mobility House предоставила интеллектуальное программное обеспечение для управления зарядом и разрядом этих батарей, а нидерландская строительная компания BAM спроектировала помещение для батарей и интегрировала xStorage в уже существующую энергосеть стадиона.
Построенная компаниями система обеспечивает накопление и использование стадионом солнечной энергией. Ключевой элемент xStorage — установленная на крыше система солнечных батарей, состоящая из 4200 фотоэлектрических модулей, номинальная мощность которых — 3 МВт. Для хранения энергии используется 590 батарей xStorage, в которых использованы «пальчиковые» элементы из 148 аккумуляторов электромобилей Nissan Leaf. Общая емкость системы 2,8 МВт*ч, что хватило бы для зарядки 500 000 iPhone.
Весь проект рассчитан на 10 лет — таков срок службы аккумуляторов Nissan. Планируется, что за все это время удастся сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 117 000 т. Во сколько проект обошелся Амстердаму — неизвестно, но вице-мэр заявил, что за эти 10 лет город рассчитывает окупить затраты.
Обратная сторона солнечной энергетики
У Nissan пока нет ответа на вопрос, что делать с этими аккумуляторами дальше. По словам представителей компании, разработка технологии дальнейшей утилизации и/или применения данных батарей находится в стадии активной разработки. Но это ключевой вопрос всей «зеленой» энергетики: мы можем улучшить экологию с помощью внедрения солнечных батарей, однако в основе этих батарей будут литий и кобальт.
Эти металлы содержатся и в организме человека, и в природе, но в микродозах. А вот их добыча и последующая переработка на сегодняшний день порождают серьезные проблемы, они способны отравить большие территории.
Литий — наиболее легкий метал, третий элемент таблицы Менделеева, используемый в производстве всех аккумуляторных батарей для современных мобильных телефонов, портативных компьютеров и электромобилей. При неправильной эксплуатации литий, содержащийся в аккумуляторах, может попасть в атмосферу, а также самопроизвольно вступать в реакции с кислородом в воздухе и воспламеняться.
Во всем мире применяются разные технологии по их переработке, в том числе с получением вторичных материалов. Одним из технологических этапов является криогенная обработка для снятия остаточного заряда, который может сохраниться в батарее, рассказал Forbes президент ГК Корпорация «ГазЭнергоСтрой» Сергей Чернин. После этого использованные батареи помещают в специальные мельницы, там их дробят и выделяют металлы (алюминий, медь и сталь), из которых они состоят. Затем из камер батарей извлекают литий путем помещения их в ванны с едкими соединениями, растворяющими соли лития, которые отфильтровывают и используют в производстве карбоната лития (применяется в пиротехнике, производстве стекол и пластмасс). А оставшиеся побочные продукты могут применяться для восстановления кобальта, входящего в состав электродов.
Стоимость переработки литиевых аккумуляторов в России, по данным «ГазЭнергоСтрой», составляет от 600 до 2000 рублей за килограмм. Но существующие способы пока не получили широкого распространения, в том числе из-за технологических особенностей, а также в связи с отсутствием массового спроса на данные услуги и формированием партий отходов, приемлемых для промышленной переработки.
Однако вопрос переработки с последующим использованием лития стоит довольно остро: если в 2011 году, по данным Геологической службы США (USGS), на источники тока расходовалось 27% добытого лития (при этом на первом месте было производство керамики и стекла — 29%), то в 2017 году на производство батарей и аккумуляторов ушло уже 46% всего металла. С ростом индустрии электромобилей эти показатели продолжат расти. По подсчетам USGS, в 2017 году в мире добыли 43 000 т лития из 53 млн т мировых запасов.
Вторая проблема — кобальт. Проректор по исследованиям «Сколтеха», директор Центра электрохимического хранения энергии профессор Кит Стивенсон в беседе с Forbes отметил, что возможно это еще более важный материал для возобновляемой энергетики, хотя обычно все обращают внимание только на литий. Кобальта на планете меньше — около 7 млн т, а добывать его сложнее: он почти не разрабатывается в чистом виде, а все месторождения содержат его в виде примесей к меди, никелю, мышьяку или серебру. На сегодняшний день 63% этого металла добываются в Демократической Республике Конго, где на приисках работают в основном дети, что создает этические проблемы для потребителей аккумуляторов.
По данным Международного энергетического агентства, к 2040 году число электромобилей в мире вырастет примерно до 40 млн. Если учитывать, что на один аккумулятор для электромобиля уходит около 20 кг кобальта, то лишь на эту сферу уйдет 800 000 т металла. Сколько будет произведено к этому времени смартфонов и другой вычислительной техники, даже приблизительно трудно предсказать.
Стивенсон отметил, что только за последний год кобальт подорожал в 2,5 раза: цена выросла с $33 200 за тонну до $75 000. Крупнейшая в мире компания по добыче кобальта — швейцарская Glencore. Она добывает в год примерно столько же, сколько все независимые горняки, китайские компании, такие как China Molybdenum и Zhejiang Huayou, а также другие небольшие производители — около 30 000 т в год.
Однако, даже Glencore продает добытый металл китайским компаниям, которые, в свою очередь, перепродают его технологическим гигантам в виде аккумуляторов. Благодаря высокому спросу на аккумуляторы такого типа, Китай сумел установить контроль над мировым кобальтовым и литиевым рынками.
Альтернативы
В дальнейшем ситуация может только усугубиться, причем не только в экологическом, но и в экономическом плане. Поэтому ученые во всем мире пытаются предложить альтернативу. Есть как безаккумуляторные способы запасания энергии. Например, подъем мешков с землей или закачка воды и получение энергии при последующем высвобождении их запасенной потенциальной энергии. Или новые виды аккумуляторов, но они еще в процессе разработки, и большинство из них также использует литий.
Одной из «зеленых» альтернатив аккумуляторам служат водородные двигатели. Использовав энергию солнца для разделения воды на кислород и водород, потом можно сжечь последний и вернуть затраченную энергию, а в качестве выхлопов будет только вода. Однако, пока это слишком затратный и недостаточно эффективный способ.
В настоящее время альтернативой могут служить кислотные и щелочные аккумуляторы, однако они нетехнологичны и еще менее экологичны: обладают существенно меньшим ресурсом и плотностью энергии, а значит большими габаритами и весом. Некоторые типы нелитиевых аккумуляторов негерметичны и требуют обслуживания или обладают длительным временем зарядки, требуют специального оборудования для аккумуляторных помещений. Такие батареи имеют в несколько раз меньший срок службы и при этом часто содержат в своем составе тяжелые металлы (к которым относится и кобальт). Еще одним элементом аккумуляторов будущего может стать никель: его больше (мировые запасы оцениваются в 300 млн т), и он (пока) дешевле ($12 600 за тонну).
Создатели «Амстердам-Арены» рассчитывают, что когда аккумуляторы из системы хранения энергии отработают 10 лет, то к тому времени появятся более простые и безопасные технологии утилизации. Будет ли это возможность «перезарядки» этих аккумуляторов или многократное использование входящих в их состав металлов, пока спрогнозировать сложно. Но стоит ожидать, что массовое распространение изделий с литиевыми источниками тока породит на рынке проекты по их эффективной переработке или экономически более выгодные системы хранения энергии.