План Европейского союза достигнуть климатически нейтральной экономики к 2050 году может оказаться не таким уж и экологичным. Европейцам понятно, что вся добыча электроэнергии должна стать зеленой, а от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания следует отказаться в пользу электромобилей.
Проблема в том, что по-настоящему экологичных хранилищ для электроэнергии все еще не существует. Производство самых популярных литиевых батарей в скором будущем либо приведет к сильнейшему дефициту лития, либо к экологическим катастрофам в местах новых месторождений. Однако эстонским ученым удалось создать хранилища электроэнергии из возобновляемого материала, который находится в наших болотах.
Планы зеленой энергетики
Согласно стратегической концепции Европейского союза, к 2050 году на его территории должна быть достигнута климатическая нейтральность — экономика с нулевым выбросом парниковых газов. В соответствии с Парижским соглашением 2015 года, выбросы от автомобилей и фургонов должны сократиться более, чем на треть к 2030 году.
Среди европейских стран в переходе на зеленую энергетику лидирует Швеция, Финляндия, Дания. В прошлом году значительного прогресса добилась Германия, где в половина произведенной электроэнергии была «зеленой». Начиная с 2030 года в стране будет запрещена продажа автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Этой тенденции следует все страны ЕС, хоть и с разными темпами. По примерным подсчетам, к 2040 году около 35% всех проданных автомобилей в мире будут электромобилями.
Казалось бы, если получать электроэнергию из зеленого источника, а ездить на машине, которая использует эту зеленую энергию, то экология будет спасена. Тем не менее, даже такой вариант нельзя назвать полноценно экологичным. Дело в том, что батареи автомобилей и других устройств не такие уж и экологичные, а альтернативного способа хранить электроэнергию у нас пока что нет.
Литиевый кризис
Самый распространенный вид батареи в мире –– литий-ионные. Щелочной металл литий является ключевым компонентом хранения энергии как в обычных аккумуляторах, так и в генераторах «зеленой» энергии.
Литий добывается из подземной воды, которая перекачивается в искусственные водоемы размером с несколько футбольных полей. Под действием солнца эта вода испаряется в течение полугода или полутора лет, затем из нее получают щелочной металл.
Последующая нехватка влаги в земле приводит к истощению почвы, сокращению растительности, в том числе травы для пастбищ, исчезновению питьевой воды, от ядовитой пыли слепнут животные, в ближайших водоемах гибнет рыба.
фото со спутника: литиевая шахта и резервуары с водой в Аргентине
По подсчетам глобальной исследовательской группы WoodMac, в 2025 году может возникнуть литиевый кризис, когда мировой спрос на металл превысит его добычу на всех нынешних месторождения. По самым же пессимистичным прогнозам, нынешние источники иссякнут к 2035 году.
Противники идеи кризиса утверждают, что в земной коре лития достаточно и добычи с новых месторождений хватит надолго, более того, литий после переработки эффективно используются повторно.
Европейский союз, по всей видимости, не видит достойной альтернативы литию и уже обозначил потенциальные месторождения в 10 странах, а также готовится к самостоятельному производству аккумуляторов. Добыча европейских месторождений могла бы обеспечить 30% всей потребности лития в 2030 году.
Один из пилотных проектов –– строительство демонстрационной линии производства литиевых батарей нового типа, на которую Европейский инвестиционный банк выделил для шведской компании Northvolt 350 миллионов евро.
Несмотря на то, кто же из оппонентов окажется прав, ясно одно –– месторождения лития вредят окружающей среде не только добычей, но и транспортировкой металла. Такой метод хранения электроэнергии, даже при соблюдении всех предосторожностей, едва ли можно считать «зелеными».
Углеродные батареи
В Эстонии о прорывном исследовании в области хранения электроэнергии сообщили исследователи под руководством профессора физической химии и руководителя химического института Тартуского университета Энна Луст.
Луст исследовал доступные и экологичные альтернативы литию уже много лет. Еще с девяностых он занимался распространенным углеродом, который синтезируется из полимеров, сахаров и биомасс.
Профессор Энн Луст и бывший президент Тоомас Хендрик Ильвес в 2010 году. автор: Андрес Теенус/ Тартуский университет
Как выяснилось, некоторые особо твердые формы углерода, полученные из биомасс болотного торфа, могут конкурировать с электродной матрицей лития. В своем исследовании, опубликованном в Electrochemistry Communications в 2020 году, Луст пришел к выводу, что полученный из торфа углерод «проявляет замечательную бифункциональную активность» и в итоге мог бы стать катализатором для преобразования химической энергии в электричество и тепло.
В статье для научного журнала RSC Advances Луст и его команда описывают следующий технический процесс: для извлечения минералов торф измельчают и промывают, затем полученную массу сушат в печи при температуре от 300 до 400 градусов Цельсия. Потом добавляют натуральные вещества: оксид натрия, хлорид цинка. Все это еще раз проходит термообработку. Полученный в результате углерод способен проводить электричество и накапливать ионы натрия в виде электроэнергии на отрицательном конце батареи.
Для стороны батареи с положительным зарядом подходит богатый натрием сложный оксид полученный из соленой воды, которой на нашей планеты придостаточно. По мнению исследователей, полученная батарея из соли и биомассы оказалась по своим свойствам конкурентоспособна на мировом рынке хранителей электроэнергии.
Торф и его запасы
Торф –– возобновляемый ресурс, он образуется на болотах в процессе отмирания и неполного разложения растений. Эстонии разрешено выкапывать 2,5–2,7 миллиона тонн торфа ежегодно, однако сейчас добывается меньше 1,2 миллиона тонн. По оценке специалистов торфяной индустрии из Peat Resources, самые большие запасы торфа в мире у Канады (170 млрд тонн), на втором месте –– Россия (150 млрд тонн).
Торфяное болото на Хийумаа. автор: модельный клуб Хийумаа
В промышленности активнее всего используется верхний слой мало разложившегося торфа, который применяется в качестве удобрение в сельском хозяйстве, как топливо в энергетике и как компонент в медицине, например, для получения активированного угля. Под этим слоем находится старый сильно разложившийся торф, более пригодный для выделения углерода.
В нынешней промышленности старый торф остается неиспользованным и после раскопок повторно затапливается. После снятие молодого верхнего слоя, нижний начинает выделять парниковые газы. Если найти ему применение, то это окажет еще один позитивный эффект на экологию.
Суперконденсатор и батареи
На базе торфяного углерода ученым удалось создать действующий суперконденсатор, который в ходе специального имитатора нагрузки показал превосходный результат.
Суперконденсатор похож на батарею, он также может питать электричеством бытовые приборы, но из-за способности заряжаться очень быстро, все же лучше подходит для других применений. Такое хранилище электроэнергии идеально для резкого набора скорости электромобиля или для изменения положения лопастей ветряка.
Ученым удалось создать и первые торфяные (углеродные) батареи кнопочного размера. Итоговое производство таких батарей может оказаться в пять раз дешевле производства литиевых, а решение окажется идеальным на крупных стационарных предприятия, например, на полях солнечных батарей или системах ветрогенераторов.
В настоящий момент ученые уже знают как сделать свои батареи больше, но пока что экспериментируют со стабильностью материалов в долгосрочной перспективе. Ожидается, что окончательный результат тестов батарей займет от двух до четырех лет.
Инвестиции
Своих открытия тартуские ученые уже запатентовали в Великобритании и США. Их разработками заинтересовались различные компании, которые, однако пожелали не раскрывать информацию о себе до тех пор, пока не подпишут договоры с исследователями.
По подсчетам ученых, на пилотный проект небольшого завода по производству аккумуляторов из торфа потребуется инвестиций не менее чем на 50 миллионов евро.
Даниил Кривко
