Рынок накопителей энергии переживает бум проектов и инвестиций

ЦитатаВ начале 2018 года мировые цены на кобальт превысили психологически важную отметку – $80 тыс. за тонну, исторический рекорд. Этот металл, добываемый для производства литий-ионных аккумуляторов, растет в стоимости с 2016 года, но лишь сейчас узкоспециализированный рынок попал в фокус всеобщего внимания.
При этом возможности традиционных литий-ионных накопителей все меньше соответствуют амбициям электронных корпораций, тормозят прогресс. На замену им могут прийти более емкие аккумуляторы сразу нескольких типов, создаваемые в лабораториях по всему свету. Прорыва ждут со дня на день, но он никак не случится: как рассказали «Профилю» эксперты, каждую из разработок отделяют от попадания на конвейер технологические или экономические проблемы. Пока они не устранены, «светлое» электрическое будущее откладывается.
Страсти по кобальту.
Кобальт – «товар будущего» (Mining Global), а его добыча – «золотая жила» (Reuters), с некоторым удивлением обнаружили мировые СМИ на рубеже 2017–2018 годов. Пока другие полезные ископаемые дешевели (индекс сырьевого рынка Bloomberg упал в 2017 году на 4%), кобальт, напротив, прибавил в цене 120%, а объем его продаж вырос с $4 млрд до $8 млрд. Это редкий металл: мировые запасы составляют 20 млн тонн, причем доступны для извлечения всего 7 млн, а большая их часть, 52%, сосредоточена в беднейшей Демократической Республике Конго..

Пока кобальт использовался для питания небольших гаджетов, его цена оставалась стабильной. Но на последние два года пришелся подъем индустрии электромобилей, которым этого металла требуется на порядок больше: 5–20 кг против 10–30 г у смартфонов и ноутбуков. К 2022 году спрос на кобальт удвоится – до 219 тыс. тонн в год против нынешних 122 тыс., прогнозирует S&P. Причем для всех электрокаров его может попросту не хватить: чтобы перевести мировой автопарк на электродвигатели, потребовалось бы 14 млн тонн металла. Автоконцернам уже начинают отказывать на переговорах: в ноябре 2017 года Volkswagen не смог заключить с Glencore и китайской Huayou Cobalt контракт на долгосрочную поставку кобальта.
«В литий-кобальтовой батарее на 1 кВт-ч мощности требуется 113 г лития и 959 г кобальта, что делает последний критически важным компонентом, – комментирует эксперт Энергетического центра бизнес-школы «Сколково» Екатерина Грушевенко. – ..
Впрочем, опасаться того, что из-за дефицита кобальта «встанет» вся электротехника, не приходится. Литий-ионный аккумулятор имеет сложное устройство: металлический катод (положительный полюс), графитовый анод (отрицательный), прослойка между ними (сепаратор) и среда для циркуляции заряженных элементов (щелочной или кислотный электролит). Кобальт используется только в катоде, составляющем, по расчетам Lux Research, 25% себестоимости батареи. При этом он постепенно замещается сплавами никеля и марганца, гораздо более распространенных металлов. ..

Отрыв от розетки.
Если ситуация с кобальтом находится на периферии рынка энергонакопителей, то сам по себе он переживает не менее любопытные трансформации. Спрос на аккумуляторы в мире растет небывалыми темпами, по прогнозу Benchmark Mineral Intelligence (BMI), за следующие 10 лет он увеличится всемеро. Оборот продаж литий-ионных аккумуляторов, по данным Credit Suisse, за это время вырастет втрое, до $59 млрд в год. Отрасль испытывает мощный приток инвестиций. В 2016 году Китай выпустил батареи суммарной мощностью 18 ГВт-ч, а в 2020 м объем производства составит 108 ГВт-ч (BMI). Tesla совместно с Panasonic строит за $5 млрд «гигафабрику» в штате Невада, США, с проектной мощностью 35 ГВт-ч.
В то же время у литий-ионных аккумуляторов обнаруживается все больше слабых мест с точки зрения нужд электронной индустрии. ... их электрохимические свойства ограничивают разработки новой техники: литий-ионные батареи сравнительно долго заряжаются и быстро «садятся», особенно на холоде.
Смартфоны на таких батареях «живут» около суток, ноутбуки – несколько часов. И тенденции к увеличению этих сроков не наблюдается...
Сегодня потребительская электроника требует больше аккумуляторов, чем электромобили, но в ближайшие годы соотношение должно измениться. Согласно прогнозу Bloomberg New Energy Finance (BNEF), в течение следующих 20 лет на рынок поступит 282 млн электрокаров, или 16% от мирового автопарка, а спрос на элементы питания для них возрастет с нынешних 45 ГВт-ч в год до 408 ГВт-ч в 2025 году и 1293 ГВт-ч в 2030 м. В автомобилестроении предел литий-ионных батарей ощущается еще сильнее: согласно исследованию Университета штата Огайо (США), он составляет 0,4 пройденной машиной мили (0,6 км) за минуту заряда. Таким образом, на дальнюю поездку «электробака» может не хватить: у Renault Zoe запас хода составляет 400 км, у Opel Ampera-e – 500 км, у Tesla Model S – 540 км. Причем если разгоняться быстрее 100 км/ч, запас кончится и того раньше.
«Tesla Model S нуждается в аккумуляторе габаритами 2,4 м на 1,5 м и весом 600 кг, конструкция выглядит слишком громоздкой, – сетует президент Castle Family Office Singapore Эльдияр Муратов. – Причем одно дело, если аккумулятор заряжается дома в течение ночи. А как быть в пути? Можете себе представить полдня в ожидании на бензоколонке? Tesla готовит сеть станций Supercharger, обеспечивающих 50% заряда за 30 минут, но высокое напряжение на них исключает подзарядку машин других производителей. В общем, пользование электрокаром наравне с обычным автомобилем пока остается мечтой».
Недостаточно мощными оказались литий-ионные батареи и для активно развивающейся индустрии беспилотников. По данным Statista, мировые продажи дронов для личного пользования выросли в 2015–2017 годах с 6,4 млн до 15,9 млн штук, а к началу 2020 х увеличатся еще вчетверо. Объем этого рынка в прошлом году оценивался в $1,8 млрд (GSV Asset Management). Однако в основном это небольшие аппараты для развлекательных целей. Коммерческие же дроны, используемые для доставки товаров, в сфере безопасности или сельском хозяйстве, пока не получили широкого распространения ($0,19 млрд в 2017 году, прогнозируемые $0,53 млрд в 2020 м).
«Коптеры уже могут разгоняться до 150 км/ч и преодолевать пару десятков километров – этого вполне хватает для доставки, – поясняет глава московского отделения Quadrocopter.club, инструктор школы пилотов CopterTime Александр Малков. – Но все упирается в батарейки. Их хватает на 30–40 минут полета, что ограничивает применение коптеров по всем направлениям».
Еще более отдаленным будущим сегодня выглядит электрическая авиация. Первый пилотируемый полет на электросамолете состоялся в 1973 году, но вплоть до сегодняшнего дня подобные аппараты используются как экспериментальные модели. Правда, в прошлом году Airbus, Rolls-Royce и Siemens анонсировали первый полет самолета E Fan X на гибридном дизельно-электрическом двигателе в начале 2020 х, а авиакомпания EasyJet объявила, что в течение 10 лет перейдет целиком на электрический флот.
«Говорить о серьезном распространении электросамолетов в ближайшие годы неуместно, они не дают экономического выигрыша по сравнению с традиционными двигателями, – возражает исполнительный директор агентства «Авиапорт» Олег Пантелеев. – Такие аппараты останутся в качестве учебных, выполняющих полеты в зоне аэродрома. Электрификация самолетов пока сводится к оснащению аккумуляторами вспомогательных систем судна – пневматической, гидравлической».
К этим несовершенствам добавляется проблема безопасности литий-ионных батарей. По мере их использования отложения лития врастают в электролит, образуя кристаллические структуры – дендриты. Если дендриты соединят между собой положительный электрод (катод) с отрицательным (анод), возможно воспламенение, особенно при повышении окружающей температуры. Именно с этим связаны частые скандалы со «взрывающимися» гаджетами, в частности со смартфонами Samsung Galaxy Note 7, которые компании пришлось снять с продаж, потеряв $17 млрд.

Повелители ионов.
При этом сегодняшние литий-ионные батареи отнюдь не идентичны тем, что были изобретены в 1970 х годах или впервые выведены на рынок в начале 1990 х. За десятилетия появилось множество их разновидностей, отличающихся химическим составом компонентов: помимо упоминавшихся выше, это литий-магний-алюминиевые, литий-никель-кобальт-алюминиевые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и другие.
Попытки модернизировать литий-ионные аккумуляторы продолжаются по сей день. В прошлом году ученые Калифорнийского университета в Риверсайде экспериментировали с анодом и электролитом: в первом вместо графита была применена смесь кварца с солью и магнием, а в электролит добавили органическое соединение метилвиологен. В обоих случаях срок службы аккумулятора удалось увеличить втрое. Годом ранее в Университете штата Огайо создали полимерную мембрану, не дающую батарее терять заряд во время бездействия. Тогда же был представлен проект Сибирского отделения РАН совместно с французской компанией SAFT: батареи с катодом из наноразмерного литий-марганцевого оксида мощнее и долговечнее традиционных.
Благодаря усовершенствованиям стоимость производства литий-ионных батарей снижается: по данным Международного энергетического агентства, в 2008 году 1 кВт-ч стоил $1 тыс., в 2015 году – $250, к 2022 му цена должна опуститься до $150. При этом удельная мощность (плотность энергии) растет: в 2008 году она составляла чуть более 100 Вт-ч на 1 кг объема, сегодня – порядка 200 Вт-ч/кг, в 2022 году достигнет 400 Вт-ч/кг. Правда, все это едва ли покроет потребности техноконцернов. «Увеличить показатели в полтора, даже в два раза – это не прорыв, а выжимание последних крупиц. Кардинальных улучшений можно добиться, только меняя материал обкладок или электродов, то есть пересматривая всю литий-ионную концепцию», – считает доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС Сергей Леготин.
В этих условиях пользователям гаджетов, недовольным зависимостью от розетки, приходится идти на различные ухищрения. Например, закупать внешние аккумуляторы (power bank) – не случайно продажи этих устройств, по оценкам Allied Market Research, растут на 23% в год (с $6,7 млн в 2015 году до $30 млн в 2022 м). Либо прибегать к функции беспроводной зарядки, которая постепенно интегрируется в смартфоны. Вариантов зарядки «по воздуху» появляется все больше: «коллективное» устройство отдачи заряда с радиусом действия до полуметра от компании Pi, зарядка с помощью ультразвука uBeam, солнечные панели на дисплей смартфона от Alcatel и TagHeuer.

Революционный элемент.
Но есть и более радикальные проекты, авторы которых пытаются создать ту самую «батарейку будущего». Самой реалистичной из подобных концепций выглядит литий-серная батарея, о которой впервые стало известно в середине 2000 х. Ее козыри – низкая себестоимость (благодаря использованию доступной серы) и в 2–3 раза более высокая производительность. Но есть и недостаток: через 50–100 циклов заряда/разряда сера растворяется, разрушая структуру батареи. Предложений, как продлить срок службы, появляется по нескольку в год. Самый свежий вариант датируется летом 2017 го: в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) предложили стабилизировать электролит добавлением каррагенана, продукта морских водорослей, используемого в пищевой промышленности как загуститель.
Некоторые исследователи добавляют в литий-серную батарею графеновый катод (графен – разновидность углерода), благодаря чему удается добиться сверхбыстрой зарядки. Такие продукты уже вывели или готовятся вывести на рынок стартапы Elecjet (power bank емкостью 6000 мА/ч, заряжающий iPhone за 10 минут, в планах – создание электровелосипеда с запасом хода до 100 км) и Graphenano (аккумулятор для электрокара с удельной емкостью 1000 Вт/ч/кг).
К другим экспериментам с катодом относятся алюминий-ионные аккумуляторы: их создали в Чжэцзянском университете (Китай) и в Стэнфордском университете (США). Китайский вариант за счет алюминиевого катода выдерживает 250 тыс. циклов заряда/разряда и температуру до +120 °C. В литий-металлических батареях, наоборот, при сохранении литиевого катода усовершенствован анод – у разработки SolidEnergy Systems он состоит из тонкого листа фольги, за счет чего плотность энергии повышена до 450 Вт/ч/кг. Компания решила начать с варианта для дронов, а к 2020 году обещает изготовить батареи для смартфонов и электрокаров.
Другая категория проектов акцентирует внимание на структуре электролита. Поскольку жидкий «наполнитель» снижает плотность размещения заряженных частиц, его предлагается заменить твердотельной (solid-state) батареей, сливающей катод и анод в одно целое. Благодаря этому удельная емкость возрастает до 800–1000 Вт/ч/кг. Особенно заинтересованы в этой технологии автоконцерны: Toyota намерена вывести на рынок подобный аккумулятор уже в 2020 году, Fisker нацелилась на 2023 й. Samsung свою разработку планирует завершить в 2025 м.
Есть и еще более фантастические начинания. Так, в теории многократно увеличить энергоэффективность можно за счет взаимодействия металлов с кислородом. Отсюда проекты литий-воздушного аккумулятора от Кембриджского университета (Великобритания), на котором седан Tesla якобы сможет проехать без подзарядки до 2000 км; алюминий-воздушного от Fuji Pigment (заявлено увеличение обычной емкости в 40 раз); цинково-воздушного от Наньянского университета (Сингапур).

Заплатите за прогресс.
Говорить же о более осязаемых перспективах «революции батареек» пока сложно. ..
Помимо этого, актуален вопрос об экономической целесообразности амбициозных проектов. «Емкостные характеристики аккумулятора – это одно, а коммерческие перспективы – совсем другое. То есть, когда ученые заявляют достижение фантастической емкости, это еще ничего не говорит об экономическом потенциале продукта», – отмечает Сергей Леготин. «Графеновый аккумулятор? Отлично! Но стоимость такого экземпляра в тысячи долларов отбивает всю охоту у покупателей, – приводит пример Михаил Синявский. – Литий-серный? Недорого, надежно. Но жизненный цикл – всего 60 зарядов, то есть 60 рабочих смен, если использовать на электропогрузчике в ГК «Скат». Если предложить такой аккумулятор нашему техническому директору, он просто рассмеется». Показательно, что даже такой любитель инноваций, как Илон Маск, для своих электрокаров Tesla сосредоточился на модернизации литий-ионных батарей.
Для того чтобы какая-либо из «прорывных» технологий воплотилась в жизнь, необходимы масштабные инвестиции: $500 млн и более на запуск конвейера, подсчитали в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Для сравнения: SolidEnergy Systems удалось привлечь на реализацию своего литий-металлического проекта только $50 млн. Как отмечают эксперты, подобных стартапов много, соперничество за финансирование между ними велико, но при этом ни один не выглядит безусловно убедительным в глазах инвесторов. В итоге многие компании закрываются, едва успев объявить о своей «невероятной» технологии.
К тому же сегодняшние лидеры индустрии энергонакопителей – Panasonic и LG – не заинтересованы в революциях, говорит Сергей Леготин. У этих компаний отлажены логистика производства, взаимодействие с поставщиками, и для них разумнее удерживать рынок, понемногу улучшая свою продукцию, чем вкладываться в рискованные проекты. «Корпорациям даже выгодно, чтобы литий-ионные батареи быстрее выходили из строя и пользователи при этом покупали новые версии устройств», – рассуждает собеседник. Подобные уловки уже стали причиной не одного скандала. Так, Apple в прошлом году пришлось публично извиняться перед американскими пользователями за искусственное «замедление» смартфонов старых моделей по мере исчерпания ресурса аккумулятора. После этого сенаторы штата Вашингтон разработали акт, запрещающий продажу гаджетов с несъемными батареями.
Наконец, еще один нерешенный вопрос индустрии аккумуляторов – их утилизация. «Какие бы батареи ни были изобретены, перед миром встанет проблема их переработки, особенно если это будут еще более токсичные отходы, чем нынешний литий-ион, – отмечает Екатерина Грушевенко. – Сегодня утилизация тонны батарей стоит $1–2 тыс., это нерентабельный бизнес, в развитых странах его субсидируют. В Европе надеются достичь показателя $300 за тонну, что сделало бы переработку самоокупаемой. Только после этого имеет смысл говорить о дальнейших витках этой индустрии». По подсчетам CRU, сегодня мир перерабатывает чуть более 5 тыс. тонн батареек в год. Ожидается, что к 2025 году этот показатель вырастет до 30 тыс. тонн.

Залог сохранения энергии.
От развития аккумуляторов зависит не только будущее электронной индустрии. Еще более масштабный эффект ожидается в ближайшие годы в энергетической сфере. Вместительные, высокопроизводительные накопители открывают энергетикам заманчивые перспективы по части хранения выработанных на электростанциях мощностей. Согласно опросу участников саммита Energy Storage Summit 2017, в отрасли ожидают, что до 60% электростанций обзаведутся системами долгосрочного хранения энергии уже к 2022 году. В 2016–2030 годах мировой рынок хранения энергии вырастет в 12 раз, до 305 ГВт-ч суммарного объема хранилищ, прогнозирует BNEF.
Это может заметно поколебать конъюнктуру на рынках традиционных энергоносителей (нефть, газ, уголь), дав дополнительный толчок возобновляемой энергетике – солнечной, ветряной. Переменный характер источников этой энергии как раз предполагает использование накопителей: солнечную энергию можно вырабатывать только днем, но благодаря аккумуляторам она доступна и ночью.
Подобные аккумуляторы уже используются, и на этом рынке также лидируют литий-ионные технологии. По оценке US Energy Storage Monitor, 94,2% используемых для хранения энергии в США батарей имеют литий-ионную конструкцию, 5% приходится на проточные батареи на основе ванадия (vanadium redox (flow) batteries), 0,5% – на свинцово кислотные.
При этом считается, что будущее – за проточными батареями. Они позволяют изменить сам принцип хранения энергии. Сейчас доминирует целевое накопление на литий-ионных аккумуляторах, установленных в домах с солнечными панелями (behind-the-meter storage). С проточными же технологиями возможно создание большой сети, из которой каждый абонент будет черпать энергию по своим потребностям (in-front-of-the-meter). Это позволяет снизить стоимость накопления с нынешних $891–985 за 1 МВт-ч до $184–338 (расчеты Lazard and Enovation Partners) и открывает дорогу в отрасль большому бизнесу. Не случайно ванадий в последние два года дорожал активнее того же кобальта: с $2,5 за фунт в начале 2016 го до нынешних $12.
Первая масштабная система хранения на основе проточных аккумуляторов (емкостью 60 МВт-ч) была установлена в 2013 году в Японии. Сегодня же на первое место по темпам установки вышел Китай. В сентябре прошлого года китайские власти выпустили руководство по продвижению технологий хранения энергии, стимулирующее компании развертывать системы накопителей. Планируется, что на «пилотном» этапе до 2020 года в стране будет создана сеть 100 мегаваттных хранилищ, а в следующем десятилетии появятся гигантские хабы на 1 ГВт-ч. Параллельно в 2017 году в Даляне открылась фабрика по производству ванадиевых аккумуляторов Rongke Power с проектной мощностью 3 ГВт-ч в год.
..
Источник