Михаил Пугач, FlowBat: запасы ванадия дают России конкурентное преимущество

— В чем для меня польза от ванадиевого проточного аккумулятора?

— Ванадиевый проточный аккумулятор — это накопитель энергии, а энергия — это основа жизни. Умение запасать энергию — ключевой момент с точки зрения устойчивого существования и дальнейшего развития. 

Ванадиевые проточные аккумуляторы — устройства, способные запасать энергию в больших количествах, хранить ее долгое время и высвобождать, когда это нужно. Принцип их работы очень похож на классические аккумуляторы: есть анод и катод, на которых протекает реакция окисления и восстановления с высвобождением электронов. 

Ключевое отличие от классических аккумуляторов — в том, что реакции протекают в жидких электролитах, а не в твердых электродах. Это дает ряд преимуществ по сравнению с классическими аккумуляторами. Во-первых, способность хранить энергию очень долгое время практически без потерь, а классические аккумуляторы на это неспособны из-за внутренних процессов, приводящих к саморазряду. 

Это критический момент, когда мы говорим про системы, которые работают как аварийные источники питания на стратегически важных объектах, либо про системы, которые используются для сезонного хранения энергии. В ванадиевых проточных аккумуляторах теоретически энергию можно хранить бесконечно, и в этом уникальность данной технологии. 

Второе отличие заключается в том, что возможно независимое масштабирование мощности и емкости благодаря конструктивной особенности проточных накопителей. Как я уже сказал, энергия хранится в жидких электролитах, которые находятся в раздельных резервуарах. При работе накопителя электролиты прокачиваются насосами через электрохимическую ячейку, где протекают электрохимические реакции. При этом мощность накопителя связана с ячейками: нужно больше мощности — можно просто добавить больше ячеек. В то время как емкость накопителя определяется объемом электролита, поэтому если нужно больше энергии — ставим дополнительные резервуары. 

Такая конфигурация дает большую гибкость с точки зрения проектирования систем. В классических аккумуляторах это не так, в них всегда мощность и емкость связаны и приходится либо переплачивать за мощность, когда нужна большая емкость, либо, наоборот, переплачивать за емкость, когда нужна большая мощность.

— А что с безопасностью?

— Ключевая проблема литий-ионных аккумуляторов — то, что они огнеопасны. Наверняка видели в интернете, как они загораются и взрываются. Даже большие энергетические хабы мегаваттного уровня, которые создавали на базе литий-ионных аккумуляторов, — горели. В дополнение к этому возникает вопрос переработки материалов от использованных ячеек, что является очень сложной и дорогой процедурой.  

Ванадиевые проточные аккумуляторы не огнеопасны, такой проблемы в принципе нет, потому что в них используются водные растворы, которые не горят. Более того, материалы, которые в них используются, гораздо легче перерабатываются. Ключевой — ванадий, он очень легко извлекается из электролита и дальше непосредственно может использоваться в металлургии.

— Почему вообще ванадий?

— Это очень хороший вопрос. Ванадий может существовать в четырех валентных состояниях, образуя устойчивые химические соединения. Это дает возможность использовать один и тот же химический элемент как для анода, так и для катода. 

При этом переход между этими состояниями полностью обратим, что дает возможность легко вернуться к исходной емкости: электролиты перемешиваются и затем заряжаются заново. Для этого мы их подключаем к внешнему источнику энергии, например к сети. Электрический ток приводит к тому, что у нас происходят электрохимические реакции внутри электролитов, которые протекают через ячейку, таким образом энергия запасается уже в тех соединениях, которые дальше хранятся в резервуарах. 

— А если резервуар прохудился и электролиты вытекают — какой вред будет нанесен окружающей среде?

— Конечно, это создаст определенные проблемы, потому что в состав раствора электролита входит серная кислота. Но это не столь критично, как другие токсичные соединения. Глобальной экологической катастрофы не будет.

Плюс есть системы, которые контролируют такие моменты, и если происходит утечка — она сразу отслеживается и устраняется. 

— Расскажи про возможные сферы применения аккумуляторов. В телефон или пульт резервуары точно не поставишь.

— Да, но преимущество ванадиевых проточных аккумуляторов в том, что они могут охватывать целый класс задач, важных для применения в электрических сетях. 

Например, автономный источник тока — одна из задач, для которой они хорошо подходят. Но еще есть, например, балансирование нестабильности от возобновляемых источников энергии. Наши системы для этого очень хорошо подходят, потому что там возникает два направления, различных по требованиям, предъявляемым к технологии накопления энергии. Первое направление — это кратковременные импульсы, которые нужно уметь сглаживать эффективно. А второе — это долгосрочные перерывы нестабильности с точки зрения генерации: один день ветер очень сильный, а в другой наступает штиль — и эти разрывы нужно уметь балансировать. Ванадиевые проточные аккумуляторы способны компенсировать и краткосрочные нестабильности, и долгосрочные дневные и даже сезонные, тем самым обеспечивая полную автономную работу сети.

Мы сейчас находимся как раз в процессе переговоров с заказчиками, и потенциально запросов много, потому что сети сейчас тоже испытывают трансформацию, переходят на другой уровень организации, где накопители энергии — это ключевой элемент. Но это целая отдельная тема.

— Пару предложений буквально.

— Сейчас мы уходим от классической схемы генерации тока, где есть одна большая генерирующая электростанция к структуре, где генерация возникает локально. Во-первых, ветрогенерация появляется у некоторых потребителей, например у больших заводов. Плюс возобновляемая энергетика становится все более доступной для обычных потребителей, которые начинают ее активно использовать в своих домохозяйствах. 

Таким образом, возникает острая необходимость использовать промышленные накопители энергии, которые бы служили как энергетические хабы, собирая энергию ото всех источников, а потом, когда необходимо, распределяя ее в соответствии с потреблением внутри сети. В России ключевым потребителем такой технологии являются "Россети", которые сегодня выражают большой интерес к ванадиевым проточным аккумуляторам. 

Также свою заинтересованность проявляет Росатом, которому интересны ванадиевые проточные аккумуляторы как накопители, которые потенциально можно применить для оптимизации и повышения надежности АЭС. 

Еще очень популярной темой сегодня становится тема электротранспорта, в которой наши аккумуляторы могут занять ключевую позицию — в качестве буфера энергии для зарядных станций, которые способны запасать энергию из сети и разгружать сеть в часы пиковой нагрузки (когда все будут заряжать свои электромобили). Поэтому без накопительной энергии массовый переход на электромобили будет сделать в принципе невозможно.

— Если все так хорошо — почему ванадиевые проточные аккумуляторы не стоят уже у нас везде?

— Тут мы попадаем в порочный круг.

Технология требует еще ряда доработок, ее нужно довести до массового производства, разработать технологические и эксплуатационные стандарты. А пока это не сделано, ванадиевым проточным накопителям трудно конкурировать с литий-ионными, которые массово выпускаются и поэтому стоят дешевле.   

— Насколько?

— Если мы говорим просто про стоимость аккумуляторов, то раза в три дешевле. Но нюанс заключается в том, что если мы говорим про систему накопления, в которую еще входит дополнительная обвязка:  контроллеры, система микроклимата, система силовой электроники, — то стоимость накопителей энергии сопоставима. 

Опять же: важно говорить не только про стоимость установки, но и про стоимость обслуживания. Ванадиевые аккумуляторы тут имеют большое преимущество, потому что у них период эксплуатации 20 лет: поставили систему, и без замены внутренних компонентов она может проработать это время. Для литий-ионных аккумуляторов — по факту пять лет, а при интенсивной эксплуатации — вообще несколько лет. 

— У нас редко на 20 лет планируют.

— Это один из ключевых моментов. Возвращаясь к порочному кругу: у нас нет пока системы, готовой к массовому производству, и никто не готов инвестировать деньги в продукт, который потенциально еще придется дорабатывать. Это очень обидно. Обидно еще в том плане, что технология стратегически важна для нашей страны.

Ванадия у нас очень много: четверть мировых запасов. Все остальные компоненты системы простые: медь, углерод и пластик. Таким образом, ванадиевые проточные накопители можно полностью производить в нашей стране. Сейчас, в условиях сложившейся политической обстановки, я считаю, что это просто критически важно, потому что лития у нас нет по факту. А происходит трансформация электросети, преобразование концепции электропотребления — и аккумуляторы очень важны, чтобы перейти на электросети нового поколения. 

Про фанатизм, синергию разных научных областей и адреналин

— Почему ты этим занимаешься?

— Я фанатик этой технологии, потому что она находится на стыке нескольких областей и в ней сплетаются много разных процессов между собой: и гидродинамика, и электродинамика, и термодинамика, плюс химия и электрохимия.

— Синергия. 

— Именно. 

Мне как исследователю очень интересно попытаться разобраться в этих процессах, которые по своей природе являются фундаментальными для различных систем, в том числе и биологических.

Основным процессом при работе ванадиевых проточных аккумуляторов является транспорт ионов и веществ через пористые структуры, в частности через мембрану. А если мы посмотрим, как работает наш организм, то ключевым процессом в нем является обмен веществ, в основе которого лежит транспорт воды через пористую мембрану клетки, который происходит под действием тех же фундаментальных механизмов, что и транспорт воды в электрохимической ячейке проточного накопителя. При этом окончательно до сих пор никто не понимает эти процессы на фундаментальном уровне. Интересно разобраться с этой темой.

Таким образом, занимаясь исследованиями в области проточных накопителей, можно развивать и практику, и фундаментальное направление. Это счастье для любого исследователя.

— Какие минусы у ванадиевых проточных аккумуляторов?

— Минусы связаны с тем, что есть ряд условий, при которых эти системы начинают себя вести нелинейно. Все зависит от того, какую нагрузку мы к ним прикладываем, какой поток электролитов, какая внешняя температура… 

Мы обычно стремимся работать в линейной зоне, но в процессе работы из-за деградации линейная зона смещается, и можно оказаться в области нелинейности. Этот момент нужно уметь отслеживать и правильно его корректировать, что требует более сложных алгоритмов управления аккумулятором.

Еще ванадиевым проточным аккумуляторам физически нужно больше места, чем литий-ионным, и они тяжелее. Батарейки для портативных устройств, как уже выяснили, из них не сделаешь. Но если мы говорим про задачи для стационарных больших накопителей, где мы не ограничены пространством и массой системы, то это не так критично.

— Были моменты, когда ты хотел опустить руки?

— Не было. Я всегда верил в эту технологию, несмотря на то что весь путь с ней был нелинейный. Вообще все развивалось непредсказуемо: изначально я видел одну траекторию, потом неожиданно это все развернулось в другом формате.

Первая яркая точка — совместная работа с коллегами из МГУ, когда мы поставили первые эксперименты. Я тогда увидел, что действительно работает: заливаем две жидкости, пропускаем через ячейку, они заряжаются, и ты можешь зарядить свой телефон от них. Это было удивительно: ты делаешь аккумулятор своими руками!

Следующий вызов был — разработать модель, которая это описывает. Это была наша первая публикация, тоже был момент эйфории, что получилось разобраться с процессами. Сейчас вот дошли до того, что у нас есть большая система уже индустриального масштаба. Ее можно подключить к дому, и она будет резервным источником питания для одного домохозяйства. 

Помню, как мы разработали свою систему мониторинга — изначально даже не было возможности контролировать, какой уровень заряда и какое напряжение. Был только огромный экран, как в "Матрице", с кучей цифр, где нужно было уметь по ним отследить все необходимые параметры. Зато сейчас — красивый графический интерфейс, с которым легко работать. 

— Что самое сложное было?

— Разобраться во всем этом. 

Я же пришел абсолютно из другой темы, до этого занимался аэродинамикой. Когда пришел в аспирантуру и начал аккумуляторами заниматься — нужно было в них разобраться в очень короткий срок.

— Почему ты перескочил в новую сферу?

— Мы моделировали спуск аппарата в атмосфере Марса, но проект закрыли. Плюс было внутреннее понимание, что хочется дальше развиваться и расти, нужен новый вызов. В той области было все примерно понятно и все прорывные моменты уже были сделаны в советское время.

— Почему тебе важно, чтобы прорывы были?

— Просто хочется. Кому-то нравится прыгать с парашютом, почему это нравится?

— Адреналин.

— Вот, я испытываю похожее чувство, когда сталкиваюсь с абсолютно непонятной задачей, к которой даже не понимаешь, как подступиться. Потом прошло какое-то время, ты с ней разобрался, и такое крутое осознание, что ты это смог сделать! 

Во-вторых, ты не просто смог сделать, а смог привнести новое, что дальше может быть использовано. Ты внес вклад в общее развитие, даже не этой технологии, а всего человечества. 

Про Николу Теслу, Айзека Азимова и вопрос "почему?"

— Ты можешь позвать на ужин любых троих людей, живых или мертвых. С кем бы ты поужинал?

— Первый человек, с кем я хотел бы пообщаться, — это художник Айвазовский. Я поклонник его творчества, восхищаюсь его картинами и его жизненным путем.

Второй человек, тоже творческая личность — режиссер Гайдай. Я считаю, что он снимал шедевры кинематографа. Пообщаться, как он их создавал, было бы очень интересно. 

Третий человек — Никола Тесла. Сегодняшний прогресс построен на его изобретениях и его открытиях. Существует много легенд, какими он технологиями владел и в итоге не передал нам… Это будоражит сознание. Я его личностью был восхищен еще со школы, как только мы начали проходить вещи по электромагнетизму.

— Что бы ты у него спросил?

— Я бы спросил один вопрос: почему?

— А как ты сам себе отвечаешь на этот вопрос?

— Ответ очень долгий, я это воспринимаю очень сложно. 

Я вспоминаю слова нашего преподавателя по физике, человека, которого очень уважаю: Александра Витальевича Федорова, преподавателя МФТИ, профессора. Он говорит: "Когда я не знаю ответа и не разбираюсь в теме, я пишу книгу. Когда я знаю ответ, я сажусь и пишу научную статью". Сейчас у меня ответ на вопрос "почему?" — это книга, в которой можно очень долго рассказывать, переходить в теоретическую физику, физику элементарных частиц и так далее. 

Вспомнил про четвертого человека, с которым бы пообщался, пока это все говорил. Айзек Азимов. Тоже личность, которой я восхищаюсь. Его произведения очень повлияли на мой жизненный путь Я сделал выбор в пользу науки после того, когда я прочитал его "Основание" и был очень взбудоражен и вдохновлен идеей о том, что можно описать эволюцию общества, разработать математический аппарат и при помощи него изменить жизнь людей в лучшую сторону. 

Я настолько был этим вдохновлен, что ушел из архитектуры в науку. Изначально, в принципе, вопрос о моем будущем не стоял, потому что я любил рисовать, и у меня это неплохо получалось, все считали, и я сам считал, что я стану архитектором. Мне безумно нравилось рисовать графические образы, запечатлевать формы, показывать игру света и тени. Но когда я прочитал в десятом классе произведение Азимова, то окончательно сделал для себя выбор в сторону науки. 

— Если вернуться к вопросу "почему?"...

— Вопрос "почему?" — это ключевой вопрос науки. 

В каком бы направлении научного знания мы ни двигались, мы всегда придем к тому, что есть фундаментальные постулаты, которые являются черными ящиками. На них никто не ответит — "почему", просто скажут — "потому что". Набор этих постулатов формирует непроницаемый для нас барьер. Но где-то за ним есть ответ на вопрос "почему?". 

Почему у нас физические константы имеют те значения, которые имеют, например, постоянная Планка или скорость света? А ведь благодаря тому, что они имеют такое значение, сформирован весь наш мир. У Азимова есть очень интересное, "Сами боги" называется. Там как раз описывается мир, в котором физические константы имеют другое значение. Этот мир существует параллельно и радикально отличается от нашего мира. Это очень интересная фантазия Азимова, которая в то же время не противоречит основным научным постулатам. 

Собственно говоря, заниматься наукой и совершать прорывы я хочу потому, что мной движет желание пробить этот барьер и ответить на вопрос "почему?". 

— Как ты думаешь, ты при своей жизни узнаешь — почему?

— Не знаю. Но очень надеюсь на это. 

Я считаю так: если я не узнаю в этой жизни, значит, узнаю в следующей. У нас впереди у всех еще очень долгий путь, на котором, скорее всего, мы так или иначе узнаем ответ на этот вопрос.