Наноматериалы для энергетики: триада глобальных процессов

Развитие функциональных наноматериалов для энергетики подразумевает существование триады глобальных процессов:

- разработка наноматериалов для генерации электроэнергии;

- разработка наноматериалов для передачи электроэнергии;

- разработка наноматериалов для потребления электроэнергии.

Данные мегапроекты целесообразно разбить на проекты в зависимости от типов и направлений ключевых технологий, использующих те или иные наноструктурные материалы. Внутри проектов реализуются подпроекты и процессы разработки материалов, процессы проведения НИОКР, разработки опытно-промышленных технологий, организации промышленных производств, широкого внедрения в энергетику.

Наиболее развитыми нанотехнологическими проектами в сфере энергетики являются: хранение, преобразование, улучшения в производстве (уменьшение потребления материалов, а также длительности процессов), энергосбережение (например, за счет разработки новых методов термоизоляции), использование возобновляемых источников энергии. Среди различных подходов, используемых для решения этих проблем, стоит упомянуть новые материалы, используемые в аккумуляторах, топливных элементах и солнечных батареях, в качестве катализаторов, а также прочные легкие конструкционные элементы.

Каковы же основные области применения нанотехнологий и коммерческие перспективы энергетики к  2015 году?

Мировой рынок продуктов нанотехнологий в энергетике составлял в 2007 году порядка 200 млн. долларов США. Увеличение стоимости энергии, выработка традиционных источников энергии и законодательство требуют, чтобы и циклы жизни продуктов, и процессы их производства не оказывали заметного влияния на окружающую среду. Таким образом, можно говорить о наличии фундаментальной задачи использования более экологичных наноструктурированных материалов. Согласно прогнозам, к 2015 г. материалы и процессы на основе нанотехнологий будут оцениваться в 4,92 млрд. долларов США (рис. 1).

Проникновение нанотехнологий в сферу энергетики достигнет к этому времени уровня 36,3%. На рисунке 2показано распределение доходов от введения нанотехнологий по секторам сферы энергетики. Наибольшая доля приходится на накопление энергии и преобразование энергии солнечного излучения. Ожидается, что к 2015 году 36,3% продуктов, связанных с энергетикой, будут содержать в себе в той или иной форме результаты применения нанотехнологий.

Ядерная энергетика обеспечивает более одной шестой части всемирного потребления электричества. Тепловая мощность современных ядерных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. Однако для реализации и широкого внедрения в энергетику быстрых реакторов необходимо завершение целого ряда исследований по созданию конструкционных и функциональных материалов. В данной области прогресс возможен главным образом при использовании наноструктурированных материалов.

В настоящее время среднемировая стоимость электричества, вырабатываемого на АЭС, несколько дороже электричества, вырабатываемого на новых газовых или угольных электростанциях, и достигает 6,5 центов/кВт∙ч. При увеличении числа новых АЭС реально можно ожидать снижения стоимости до 6,0 центов/кВт∙ч.

Атомная энергия уже станет экономически выгодной, если за выбросы углерода придется платить. Так, при налоге в 200 долларов США за 1 тонну углерода цена «угольного» электричества достигнет 9 центов/кВт∙ч.

Другая область энергетики, где требуются новые материалы, – возобновляемые источники энергии, или ВИЭ. К ним относят: гидро-, солнечную, ветровую, геотермальную, гидравлическую энергии, энергию морских течений, волн, приливов, температурного градиента морской воды, разности температур между воздушной массой и океаном, тепла Земли, биомассу животного, растительного и бытового происхождения. В данном случае запасы топлива можно считать практически неисчерпаемыми.

Анализируя энергетику на основе ВИЭ, следует особо отметить быстрое развитие солнечной энергетики. В настоящее время вклад в мировую энергетику солнечных батарей невелик, тем не менее, он демонстрирует чрезвычайно высокий устойчивый рост. Скажем, в 2010 году мощность установок на фотоэлементах достигла 3,2÷3,9 ГВт, а выручка производителей составила 18,6÷23,1 млрд. долл./год. Когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20÷30%.

В последнее время с развитием наноматериалов появляется возможность резкого повышения КПД солнечных батарей, а также решения ряда практических вопросов их применения – использования концентраторов падающего на поверхность фотоэлементов излучения, исключения загрязнений поверхности путем нанесения специальных наноструктурных гидрофобных грязезащитных покрытий. Особой перспективностью отличаются наноструктурные материалы с заданной молекулярной структурой, например, титановые нанотрубки, позволяющие увеличить светопоглощающую способность в 10 раз. В настоящее время стоимость энергии, вырабатываемой лучшими установками, составляет 5÷6 центов/кВт∙ч. Максимальный КПД, достигнутый на солнечном элементе, – 28,3 %.

Не менее активно, чем солнечная, за минувшие годы и в настоящий период развивается ветровая энергетика. Например, в конце 2008 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 120 ГВт, увеличившись с 2000 года в шесть раз.

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра и колеблется от 4,8 цента/кВт·ч при скорости ветра 7,16 м/c до 2,6 цента/кВт·ч при скорости ветра 9,2 м/с. При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15%. (В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла 38 центов/кВт∙ч.)

Водородная энергетика также обладает высоким потенциалом. Ее преимущество – двигатели нового типа, загрязняющие окружающую среду меньше, чем двигатели внутреннего сгорания в автомобилестроении. Основной элемент топливной батареи, на которой основан водородный двигатель, – это мембрана, отделяющая водород от кислорода. Несмотря на многолетние исследования, до сих пор не разработаны все детали термодинамических подходов к созданию экономичных топливных элементов, позволяющих реализовать термохимический электролиз воды. Также до сих пор остаются нерешенными проблемы хранения водорода – в виде криогенной жидкости, гидридов металлов, в адсорбированном состоянии. Здесь необходим широкий спектр материаловедческих работ, чтобы создать наноструктурированные материалы с требуемыми свойствами.

В какой мере назрела необходимость инновационных решений для передачи электроэнергии и создании эффективных энергосистем?

В настоящее время очевидна актуальность решения проблемы  разработки материалов, имеющих более высокую электропроводность и высокую прочность, а также создание новых технологий аккумулирования электроэнергии, ее коммутации и преобразования. В данном направлении безальтернативным представляется использование сверхпроводящих линий электропередач на основе наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения, разработка и создание промышленного класса сверхпроводящих индукционных и маховиковых накопителей электроэнергии, разработка и внедрение сверхпроводящих токоограничителей.

Для традиционных ЛЭП необходимо использовать наноструктурированные высокопрочные высокоэлектропроводные композиционные материалы на основе меди и алюминия.

Защита от наледи на линиях ЛЭП может быть получена всего в несколько нанометров толщиной. (Наноме́тр (нм, nm) — единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра) Такое покрытие, препятствующее образованию наледи, первое применение на практике свойств сверхгидрофобного покрытия – нового класса водоотталкивающих веществ. Оно состоит из тончайших пленок и имеет микроскопические бороздки, уменьшающие площадь соприкосновения поверхности с молекулами воды и предотвращает обледенение. В США созданы серии покрытий из кремнийорганической смолы с наночастицами кремния размером от 20 нм до 20 мкм. Оказалось, что лишь покрытия с частицами менее 50 нм полностью предотвращали оледенение, при этом конструкции обливались водой при минус 20º С. Столь малые размеры частиц означают и минимальный контакт с водой − вода соприкасается лишь с воздушной прослойкой между частицами и соскальзывает с поверхности, не замерзая.

Повышение энергоэффективности потребления электроэнергии связано с разработками новых устройств и материалов, среди которых в первую очередь можно отметить создание высокоэффективных диодных осветительных устройств, основанных на применении наноструктурных материалов. Новые осветительные приборы должны найти применение в жилищно-коммунальной сфере, в промышленности, в тепличных хозяйствах АПК.

Ведущие мировые державы инвестируют миллиарды долларов в создание рынка сбыта светодиодной продукции. Таким образом, стимулируя внутреннее потребление, правительства этих стран активизируют как рост инвестиций в компании-производители, так и снижение себестоимости светодиодной продукции в результате роста производства.

В последние несколько лет ряд крупнейших корпораций светотехнической промышленности, таких как General Electric, Philips, Osram, пытаются создать источники освещения на основе органических светодиодов – OLED. По сравнению с традиционными полупроводниковыми органические светодиоды имеют ряд преимуществ: из них можно делать однородно светящиеся поверхности большой площади и любой формы.

Беларусь, к сожалению, не была среди первых стран, осознавших потенциал нанотехнологий и организовавших ее приоритетное финансирование на государственном уровне. Поэтому принятие отечественной нанотехнологической программы в области энергетики – назревшая необходимость. Предпосылок для этого более чем достаточно.

Такой подход позволит сформировать фундаментальную научную базу нанотехнологий и обеспечить подготовку исследовательских кадров для долгосрочного развития нанотехнологий в энергетике. Программа будет способна аккумулировать инвестиции в инфраструктуру, повышая эффективность внедрения инноваций в сфере энергетики.

А. Лагутин,

кандидат технических наук.

БГАТУ

Материал подготовлен на основе доклада на Международной научно-технической конференции «Энергосбережение – важнейшее условие инновационного развития АПК».

г. Минск.  24-25.11.2011 г.