Об эксперте: Дмитрий Изотов — директор Центра палладиевых технологий «Норникеля».
— Сейчас 84% всей добычи палладия поглощает автомобильный сектор — металл используют при производстве автокатализаторов. Этот компонент необходим двигателям внутреннего сгорания (ДВС) — бензиновым и дизельным, — но не электромобилям, доля которых на мировом рынке неуклонно растет. Получается, с уменьшением числа машин с ДВС спрос на палладий должен рухнуть?
— Нет. На протяжении десятилетий палладий действительно ассоциировался только с автокатализаторами — и они останутся важным направлением еще на десятки лет. Но промышленный спрос в будущем будет формироваться все больше за счет новых индустриальных применений, и формировать его будут ученые в лабораториях при поддержке бизнеса.
— О каких сферах применения идет речь?
— Их очень много. В Центре палладиевых технологий мы выделяем два ключевых вектора: продукты для новых и развивающихся рынков, а также продукты для традиционных рынков платиноидов.
В первом направлении у нас целый комплекс новых палладий-содержащих материалов с доказанными конкурентными преимуществами для водородной и солнечной энергетики. В рамках этого направления мы также разрабатываем высокотехнологичные материалы, необходимые для развития индустрии искусственного интеллекта и электротранспорта.
На традиционном рынке платиноидов мы работаем над повышением энергоэффективности и снижением углеродного следа от внедрения палладия по сравнению с другими металлами платиновой группы.
От энергии солнца до электромобилей
— Давайте начнем со снижения углеродного следа — максимально популярной темы в повестке западных стран и ООН. Почему именно палладий может помочь энергетическому переходу и декарбонизации?
— Благодаря своей каталитической активности. Она лежит в основе разработки эффективных катализаторов для водородных топливных элементов и электролизеров, а также для производства биотоплива. Здесь палладий помогает значительно повысить энергоэффективность и снизить углеродный след.
Во-вторых, в сочетании с селеном палладий проявляет уникальные оптические свойства, что открывает возможности для применения в тонкопленочных солнечных элементах нового поколения.
Наконец, палладий может сыграть важную роль в развитии аккумуляторных технологий. Его каталитические свойства помогают улучшить кинетику реакций между литием и серой — одну из ключевых проблем в создании литий-серных (Li-S) батарей. По предварительным оценкам, замена литийионного аккумулятора на литий-серный с палладиевым катализатором может увеличить дальность хода электротранспорта в три раза.
— Получается сразу три направления: двигатели на водороде, солнечные панели и новый тип батарей для электрокаров. И если водородные технологии действительно остаются в самом начале цикла технического прогресса, то солнечные панели давно существуют и успешно работают в десятках стран по всему миру. Что нового вы можете предложить существующим производителям таких устройств?
— Современные солнечные панели близки к своему пределу по коэффициенту полезного действия (КПД). Сейчас эта проблема решается простым добавлением все новых солнечных панелей — то есть растет не качество, а количество. Это тупиковый путь: в отдельных случаях мы видим, как ради таких панелей вырубают леса и нарушают экологический баланс. Не допустить этого — общая задача для всего человечества. Нам необходим рост эффективности — а он возможен только за счет совершенствования контактных систем. Ровно в них применяется палладий: он используется вместе с кремнием как функциональное покрытие для повышения эффективности кремниевых фотоэлементов.
Другое важное направление солнечной энергетики — развитие перовскитной фотовольтаики. Интеграция материалов на основе палладия и селена (Pd-Se) в перовскитные фотоэлементы повышает электропроводность, улучшает сбор положительных зарядов и повышает омичность контактов. Такие материалы стабильны при воздействии окислителей, что обуславливает их преимущества перед аналогами. Этот класс материалов позволяет увеличить КПД солнечных элементов на два-три процентных пункта и особенно эффективен при рассеянном освещении. Технология уже прошла модульные испытания и готовится к пилотному внедрению. Мы видим в этом точку роста для по-настоящему устойчивой солнечной энергетики, которая не на словах, а на деле делает вклад в защиту окружающей среды.
— А что насчет литий-серных аккумуляторов? Чем они лучше привычных всем литийионных?
— У них более высокая плотность энергии, что обеспечивает больший запас хода электромобилей и более длительный срок службы портативной электроники. А еще они дешевле: в качестве катодного материала в них используется элементарная сера — доступный, распространенный и экологичный материал, что позволяет снизить экологические проблемы, связанные с литийионными аккумуляторами. К тому же литий-серные аккумуляторы способны снизить вес батарей на 30–40% по сравнению с литийионными. Это особенно важно для авиации, дронов и других отраслей, где критичен вес аккумулятора.
— Почему тогда мир до сих пор не перешел на эту технологию?
— Коммерческое применение Li-S ограничено из-за проблем с долговечностью и стабильностью при высоких нагрузках, что требует технологических инноваций. Иными словами, мы пока не научились делать такие батареи столь же предсказуемыми, как литийионные. Здесь и может пригодиться палладий: сделанный из него катализатор существенно улучшает кинетику электрохимических реакций, обеспечивая более стабильную работу и значительно увеличивая срок службы аккумуляторов. В ближайшее время мы планируем увеличить циклируемость до 1000 циклов, что в десять раз превышает текущие показатели. Благодаря палладию удается повысить удельную энергию до 300–400 Вт⋅ч/кг. Это открывает новые горизонты для энергоемких и легких устройств.
— Но ведь сам палладий стоит дорого. Не перекроет ли его стоимость выгоды от перехода на литий-серные аккумуляторы?
— Это действительно важный экономический момент, над решением которого мы работаем сейчас. Преимущество нашей технологии в том, что использование палладия в литий-серных аккумуляторах минимально и оправдано значительным улучшением их характеристик, что делает технологию коммерчески жизнеспособной.
Зачем осваивать энергию водорода
— Среди инноваций, которые внедряются на массовом уровне, не видно решений на водороде. Об этом говорят, но кажется, что до практического внедрения далеко. Так ли это?
— Отчасти. Но мы делаем все, чтобы ускорить такой переход и как можно быстрее увидеть водородную энергетику.
— Что мешает ей в развитии?
— Технологическая сложность. Традиционно в качестве катализаторов — наноразмерных частиц — здесь используют металлы платиновой группы: платину, иридий и рутений. Они обеспечивают ключевые каталитические функции на всех этапах водородной цепочки. Доля стоимости этих соединений в стоимости всего двигателя минимальна, однако их совершенствование может сделать этот двигатель эффективнее, повысить его мощность и снизить потребление топлива.
В условиях растущего спроса и необходимости оптимизации расхода драгоценных металлов палладий становится все более значимым элементом в разработке катализаторов нового поколения, способных улучшить свойства и снизить зависимость от наиболее дефицитных и дорогостоящих из них.
— Над чем конкретно вы работаете в этой сфере?
— У нас есть интересные результаты тестирований катализаторов для PEM-электролизеров. Важная характеристика катализатора — его деградация. В случае с палладием она не только становится стабильно ниже, но и принимает «отрицательные» значения, что свидетельствует о повышении эффективности функционирования катализатора с течением времени. При этом происходит снижение рабочего напряжения, что уменьшает расход электроэнергии, а значит, и стоимость водорода.
Кроме того, катализатор на основе палладия дополнительно обеспечит отсутствие следов водорода в кислороде на аноде, повышая безопасность системы. Это все дает задел для дальнейшего совершенствования технологии PEM-электролиза и снижения ее стоимости. Наши катализаторы для водородных топливных элементов и PEM-электролизеров, которые используются для получения водорода из воды, успешно прошли промышленные испытания у ведущих китайских игроков отрасли. На основе полученных результатов мы продолжаем их совершенствование, и в ближайшее время технологии будут готовы к этапу коммерциализации и масштабного промышленного внедрения.
— Как может быть устроено коммерческое применение? Сможете ли вы «упаковать» технологию так, чтобы заинтересовать бизнес?
— Мы уже это сделали. Мы предлагаем технологию в формате лицензирования — это позволяет партнерам быстро интегрировать инновации в существующие производственные цепочки. Наш центр сопровождает процесс внедрения на всех этапах — от технической поддержки до адаптации под конкретные задачи бизнеса. То есть мы своими руками проводим бизнес через самый сложный этап внедрения, чтобы в конечном итоге бизнес зарабатывал на водородной энергетике.
Насколько экологичен палладий
— Одна из целей перехода на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — отказ от истощения планеты и стремление снизить добычу полезных ископаемых для нужд человечества. Нет ли у вас опасений, что индустрия отвергнет палладиевые технологии только потому, что они палладиевые, то есть зависят от полезного ископаемого?
— Нет. Дело в том, что в сравнении с другими ископаемыми палладий — очень редкий и один из самых перерабатываемых металлов. Более 30% палладия на рынке — вторичный. Иными словами, это вторсырье, использование которого — важная цель энергоперехода. А совокупное ежегодное потребление не превышает 300 т, что не сопоставимо с объемами добычи традиционных энергоресурсов.
Кроме того, зеленая трансформация требует не отказа от всех ресурсов, а внедрения решений, которые дают максимум пользы при минимуме воздействия. Палладий как раз соответствует этому критерию: мы предлагаем технологические решения, которые реально помогают ускорить декарбонизацию. Подход Центра палладиевых технологий — это точечное обоснованное применение палладия там, где он реально улучшает технологию и повышает ее энергетическую и экономическую эффективность с минимизацией экологических рисков.
— Приведите, пожалуйста, пример.
— Обеззараживание воды в регионах с затрудненным доступом к чистой воде — в первую очередь это Азиатско-Тихоокеанский регион, где проблема стоит особенно остро. Именно там наблюдается наиболее быстрый прирост населения. А чем больше людей, тем больше воды им нужно. Для очистки воды там повсеместно используют хлор, производство, транспортировка и хранение которого несут большие риски для окружающей среды.
В регионах с децентрализованным водоснабжением и хрупкой инфраструктурой — например, в Юго-Восточной Азии или Африке — отказ от транспортировки хлора снижает риски аварий и улучшает санитарную безопасность: традиционный хлор необходимо хранить в особых условиях, он взрывоопасен. Мы разработали решение, которое позволит снизить использование хлора, а значит, предотвратить возможные аварии, которые неизбежно происходят при существующих технологиях.
— Как это работает?
— Мы предлагаем новый материал для повышения эффективности производства безопасного аналога хлора. Речь идет об увеличении эффективности генерации гипохлорита натрия с помощью палладий-содержащих анодов в установках электролиза. Палладий используется в виде тонкого покрытия на электродах, его объем минимален, а срок службы выше, чем у традиционных покрытий.
Энергопотребление таких систем ниже на 18,6% по сравнению с иридий-рутениевыми анодами — это особенно важно в странах с высокой стоимостью или дефицитом электроэнергии. То есть наша технология не просто безопаснее, но еще и дешевле в эксплуатации, чем привычный хлор. Она не требует замены оборудования и совместима с существующими генераторами гипохлорита, работая как инженерный апгрейд.
— А что насчет процесса изготовления?
— Для производства гипохлорита нужна лишь поваренная соль, которая безопасна, не требует специальных условий хранения и широкодоступна. Переход от хлора к гипохлориту идет своим чередом в различных географиях, мы ускоряем этот переход за счет повышения эффективности. Катализатор на базе сплава палладия в комбинации с технологией электролиза позволяет вырабатывать обеззараживающее вещество рядом с источниками водоснабжения. Так нивелируются экологические риски.
— Это решение было опробовано на практике?
— Да. На примере работы первой промышленной партии анодов на водоочистных сооружениях Южного федерального округа России можно говорить об экономии до $150 тыс. в год только на одном предприятии. В масштабах страны экономия может составить $19 млн в год. А если мультиплицировать этот эффект на многочисленные экономики Юго-Восточной Азии, эффект может вырасти в десятки раз.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.