Ќаноматериалы дл€ энергетики: триада глобальных процессов

Ќаноматериалы дл€ энергетики: триада глобальных процессов

–азвитие функциональных наноматериалов дл€ энергетики подразумевает существование триады глобальных процессов:

- разработка наноматериалов дл€ генерации электроэнергии;

- разработка наноматериалов дл€ передачи электроэнергии;

- разработка наноматериалов дл€ потреблени€ электроэнергии.

ƒанные мегапроекты целесообразно разбить на проекты в зависимости от типов и направлений ключевых технологий, использующих те или иные наноструктурные материалы. ¬нутри проектов реализуютс€ подпроекты и процессы разработки материалов, процессы проведени€ Ќ»ќ –, разработки опытно-промышленных технологий, организации промышленных производств, широкого внедрени€ в энергетику.

Ќаиболее развитыми нанотехнологическими проектами в сфере энергетики €вл€ютс€: хранение, преобразование, улучшени€ в производстве (уменьшение потреблени€ материалов, а также длительности процессов), энергосбережение (например, за счет разработки новых методов термоизол€ции), использование возобновл€емых источников энергии. —реди различных подходов, используемых дл€ решени€ этих проблем, стоит упом€нуть новые материалы, используемые в аккумул€торах, топливных элементах и солнечных батаре€х, в качестве катализаторов, а также прочные легкие конструкционные элементы.

 аковы же основные области применени€ нанотехнологий и коммерческие перспективы энергетики к  2015 году?

ћировой рынок продуктов нанотехнологий в энергетике составл€л в 2007 году пор€дка 200 млн. долларов —Ўј. ”величение стоимости энергии, выработка традиционных источников энергии и законодательство требуют, чтобы и циклы жизни продуктов, и процессы их производства не оказывали заметного вли€ни€ на окружающую среду. “аким образом, можно говорить о наличии фундаментальной задачи использовани€ более экологичных наноструктурированных материалов. —огласно прогнозам, к 2015 г. материалы и процессы на основе нанотехнологий будут оцениватьс€ в 4,92 млрд. долларов —Ўј (рис. 1).

ѕроникновение нанотехнологий в сферу энергетики достигнет к этому времени уровн€ 36,3%. Ќа рисунке 2показано распределение доходов от введени€ нанотехнологий по секторам сферы энергетики. Ќаибольша€ дол€ приходитс€ на накопление энергии и преобразование энергии солнечного излучени€. ќжидаетс€, что к 2015 году 36,3% продуктов, св€занных с энергетикой, будут содержать в себе в той или иной форме результаты применени€ нанотехнологий.

ядерна€ энергетика обеспечивает более одной шестой части всемирного потреблени€ электричества. “еплова€ мощность современных €дерных энергетических реакторов достигает 5 √¬т. ќднако дл€ реализации и широкого внедрени€ в энергетику быстрых реакторов необходимо завершение целого р€да исследований по созданию конструкционных и функциональных материалов. ¬ данной области прогресс возможен главным образом при использовании наноструктурированных материалов.

¬ насто€щее врем€ среднемирова€ стоимость электричества, вырабатываемого на јЁ—, несколько дороже электричества, вырабатываемого на новых газовых или угольных электростанци€х, и достигает 6,5 центов/к¬т∙ч. ѕри увеличении числа новых јЁ— реально можно ожидать снижени€ стоимости до 6,0 центов/к¬т∙ч.

јтомна€ энерги€ уже станет экономически выгодной, если за выбросы углерода придетс€ платить. “ак, при налоге в 200 долларов —Ўј за 1 тонну углерода цена Ђугольногої электричества достигнет 9 центов/к¬т∙ч.

ƒруга€ область энергетики, где требуютс€ новые материалы, Ц возобновл€емые источники энергии, или ¬»Ё.   ним относ€т: гидро-, солнечную, ветровую, геотермальную, гидравлическую энергии, энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, разности температур между воздушной массой и океаном, тепла «емли, биомассу животного, растительного и бытового происхождени€. ¬ данном случае запасы топлива можно считать практически неисчерпаемыми.

јнализиру€ энергетику на основе ¬»Ё, следует особо отметить быстрое развитие солнечной энергетики. ¬ насто€щее врем€ вклад в мировую энергетику солнечных батарей невелик, тем не менее, он демонстрирует чрезвычайно высокий устойчивый рост. —кажем, в 2010 году мощность установок на фотоэлементах достигла 3,2÷3,9 √¬т, а выручка производителей составила 18,6÷23,1 млрд. долл./год.  огда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваютс€, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20÷30%.

¬ последнее врем€ с развитием наноматериалов по€вл€етс€ возможность резкого повышени€  ѕƒ солнечных батарей, а также решени€ р€да практических вопросов их применени€ Ц использовани€ концентраторов падающего на поверхность фотоэлементов излучени€, исключени€ загр€знений поверхности путем нанесени€ специальных наноструктурных гидрофобных гр€зезащитных покрытий. ќсобой перспективностью отличаютс€ наноструктурные материалы с заданной молекул€рной структурой, например, титановые нанотрубки, позвол€ющие увеличить светопоглощающую способность в 10 раз. ¬ насто€щее врем€ стоимость энергии, вырабатываемой лучшими установками, составл€ет 5÷6 центов/к¬т∙ч. ћаксимальный  ѕƒ, достигнутый на солнечном элементе, Ц 28,3 %.

Ќе менее активно, чем солнечна€, за минувшие годы и в насто€щий период развиваетс€ ветрова€ энергетика. Ќапример, в конце 2008 года обща€ установленна€ мощность всех ветрогенераторов составила 120 √¬т, увеличившись с 2000 года в шесть раз.

—ебестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра и колеблетс€ от 4,8 цента/к¬тЈч при скорости ветра 7,16 м/c до 2,6 цента/к¬тЈч при скорости ветра 9,2 м/с. ѕри удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15%. (¬ начале 80-х годов стоимость ветр€ного электричества в —Ўј составл€ла 38 центов/к¬т∙ч.)

¬одородна€ энергетика также обладает высоким потенциалом. ≈е преимущество Ц двигатели нового типа, загр€зн€ющие окружающую среду меньше, чем двигатели внутреннего сгорани€ в автомобилестроении. ќсновной элемент топливной батареи, на которой основан водородный двигатель, Ц это мембрана, отдел€юща€ водород от кислорода. Ќесмотр€ на многолетние исследовани€, до сих пор не разработаны все детали термодинамических подходов к созданию экономичных топливных элементов, позвол€ющих реализовать термохимический электролиз воды. “акже до сих пор остаютс€ нерешенными проблемы хранени€ водорода Ц в виде криогенной жидкости, гидридов металлов, в адсорбированном состо€нии. «десь необходим широкий спектр материаловедческих работ, чтобы создать наноструктурированные материалы с требуемыми свойствами.

¬ какой мере назрела необходимость инновационных решений дл€ передачи электроэнергии и создании эффективных энергосистем?

¬ насто€щее врем€ очевидна актуальность решени€ проблемы  разработки материалов, имеющих более высокую электропроводность и высокую прочность, а также создание новых технологий аккумулировани€ электроэнергии, ее коммутации и преобразовани€. ¬ данном направлении безальтернативным представл€етс€ использование сверхпровод€щих линий электропередач на основе наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколени€, разработка и создание промышленного класса сверхпровод€щих индукционных и маховиковых накопителей электроэнергии, разработка и внедрение сверхпровод€щих токоограничителей.

ƒл€ традиционных ЋЁѕ необходимо использовать наноструктурированные высокопрочные высокоэлектропроводные композиционные материалы на основе меди и алюмини€.

«ащита от наледи на лини€х ЋЁѕ может быть получена всего в несколько нанометров толщиной. (Ќаноме́тр (нм, nm) Ч единица измерени€ длины в метрической системе, равна€ одной миллиардной части метра) “акое покрытие, преп€тствующее образованию наледи, первое применение на практике свойств сверхгидрофобного покрыти€ Ц нового класса водоотталкивающих веществ. ќно состоит из тончайших пленок и имеет микроскопические бороздки, уменьшающие площадь соприкосновени€ поверхности с молекулами воды и предотвращает обледенение. ¬ —Ўј созданы серии покрытий из кремнийорганической смолы с наночастицами кремни€ размером от 20 нм до 20 мкм. ќказалось, что лишь покрыти€ с частицами менее 50 нм полностью предотвращали оледенение, при этом конструкции обливались водой при минус 20º —. —толь малые размеры частиц означают и минимальный контакт с водой − вода соприкасаетс€ лишь с воздушной прослойкой между частицами и соскальзывает с поверхности, не замерза€.

ѕовышение энергоэффективности потреблени€ электроэнергии св€зано с разработками новых устройств и материалов, среди которых в первую очередь можно отметить создание высокоэффективных диодных осветительных устройств, основанных на применении наноструктурных материалов. Ќовые осветительные приборы должны найти применение в жилищно-коммунальной сфере, в промышленности, в тепличных хоз€йствах јѕ .

¬едущие мировые державы инвестируют миллиарды долларов в создание рынка сбыта светодиодной продукции. “аким образом, стимулиру€ внутреннее потребление, правительства этих стран активизируют как рост инвестиций в компании-производители, так и снижение себестоимости светодиодной продукции в результате роста производства.

¬ последние несколько лет р€д крупнейших корпораций светотехнической промышленности, таких как General Electric, Philips, Osram, пытаютс€ создать источники освещени€ на основе органических светодиодов Ц OLED. ѕо сравнению с традиционными полупроводниковыми органические светодиоды имеют р€д преимуществ: из них можно делать однородно свет€щиес€ поверхности большой площади и любой формы.

Ѕеларусь, к сожалению, не была среди первых стран, осознавших потенциал нанотехнологий и организовавших ее приоритетное финансирование на государственном уровне. ѕоэтому прин€тие отечественной нанотехнологической программы в области энергетики Ц назревша€ необходимость. ѕредпосылок дл€ этого более чем достаточно.

“акой подход позволит сформировать фундаментальную научную базу нанотехнологий и обеспечить подготовку исследовательских кадров дл€ долгосрочного развити€ нанотехнологий в энергетике. ѕрограмма будет способна аккумулировать инвестиции в инфраструктуру, повыша€ эффективность внедрени€ инноваций в сфере энергетики.

 

ј. Ћагутин,

кандидат технических наук.

Ѕ√ј“”

 

ћатериал подготовлен на основе доклада на ћеждународной научно-технической конференции ЂЁнергосбережение Ц важнейшее условие инновационного развити€ јѕ ї.

г. ћинск.  24-25.11.2011 г.

 

  • ƒата публикации: 17.02.2012
  • 3449
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150