Аналитический материал представленный Германом Евсеевичем Кричевским, профессором, доктором технических наук, вице-президентом НОР: Основные проблемы энергетики, реальные и потенциальные возможности нанотехнологии для их решения.

Введение.

Значимость энергетики в современном мире понимают все, её трудно переоценить. Поэтому более эффективное использование традиционных источников, переход от невозобновляемых к возобновляемым источникам энергии является одной из главенствующих планетарных задач, напрямую или опосредованно связанных с устойчивостью глобальной и региональных систем обеспечения энергией всех областей деятельности современного человека. Кроме того, эффективное, разумное использование энергии и её невозобновляемых источников напрямую или опосредованно связано с состоянием глобальной и региональной экологии.

Решить планетарные проблемы энергетики при ограниченности и всё менее недоступных и невозобновляемых традиционных источников энергии, можно только поставив на службу экономической эффективности энергетики комплекс конвергентных NBIC-технологий и примыкающей к ним бионики.

Хотя разделить возможный вклад на количественном уровне в эффективность энергетики настоящего и будущего всех этих технологий непросто, всё же большинство экспертов отдают пальму первенства нанотехнологиям. Поэтому в этом обзоре, в первую очередь, будем рассматривать использование нанотехнологий во всем широком спектре проблем энергетики.

Основные проблемы энергетики, реальные и потенциальные возможности нанотехнологии для их решения.

Основные задачи современный энергетики решаются в следующих областях:

• Первичные источники энергии.
• Производство и преобразование энергии.
• Распространение энергии.
• Хранение энергии.
• Использование энергии.

Эти проблемы энергетики связаны сложными прямыми и опосредованными связями. На схеме рис.1 показано неразрывная цепочка этих связей (прямых и обратных).

Рисунок 1.

В каждой из этих пяти фаз энергетики, в их решении, в повышении их эффективности находит в настоящее время, и будет находить еще более широкое использование в будущем применение нанотехнологий, как это показано в данном обзоре на наиболее ярких примерах.

Первичные источники энергии.

Фотовольтаика: нанооптимизация (эффективность) солнечных панелей (полимеры, красители, квантовые точки, нанотонкие пленки, антиотражающие покрытия, многослойные фотоэлементы с мультипереходами).

Энергия ветра: легкие и прочные полости пропеллера (лопасти винта) оптимальной геометрии из нанокомпозитов нового поколения, антикоррозионные покрытия.

Геотермальные источники: нанопокрытия и нанокомпозиты в износостойких устройствах бурильных установок.

Использование энергии волн прилива: коррозиестойкие покрытия.

Энергия биомассы: нанооптимизация (концентрация пестицидов, питание) режима выращивания биомассы (наносенсоры, актуаторы, процессоры).

Невозобновляемые источники (ископаемые), уголь, нефть, газ: погодостойкие и коррозиестойкие покрытия износостойких бурильных установок; добавки наночастиц, наноколлоидных систем для повышения эффективности бурения.

Атомная энергия: нанокомпозиты для защиты персонала от радиации, капсулирование источников радиации.

Производство энергии.

Газовые турбины: защита от коррозии и термодеструкции лопаток турбины (нанокерамика, интерметаллические нанопокрытия, повышение эффективности работы электростанций).

Термоэлектричество: наноструктурированные компаунды, наностержни, использование вторичного тепла для персонального пользования.

Топливные элементы: нанооптимизированные мембраны и электроды для повышения эффективности топливных элементов в автомобилях и в мобильной электроники.

Производство водорода: нанокатализаторы, нанофотоника, новые нанотехнологии, фотоэлектрика.

Двигатели внутреннего сгорания: износо- и коррозиестойкие нанопокрытия для защиты деталей двигателя, нанодобавки в топливо и масло.

Электромоторы: нанокомпозиты для сверхпроводимости компонентов в электромоторах, например электродвигателей кораблей.

Распространение энергии.

Передача энергии: высоковольтные линии с нанонаполнителями для электроизоляторов, мягкие магнитные наноматериалы для эффективной передачи энергии.

Сверхпроводимость: оптимизация высокотемпературной сверхпроводимости, основанной на наноразмерном интерфейсе с целью уменьшения потери электричества при его передаче.

Линии передач на основе углеродных трубок: сверхпроводимые кабели на основе углеродных трубок.

Беспроводная передача энергии: с помощью лазеров, микроволн и электромагнитного резонанса на основе нанооптимизации компонентов.

Умные линии передач: наносенсоры (магниточувствительные) для умных гибких передач с умным экономичным управлением сетей, в том числе

Теплопередача: оптимизация передачи (углеродные нанотрубки и композиты на их основе) в промышленности, сельском хозяйстве и домохозяйствах.

Хранение энергии.

Электрическая энергия: оптимизация устройства и работы Li-ионных батарей на основе наноструктурированных электродов и гибких керамических разделительных нанопленок в мобильных устройствах, в линиях передач.

Сверхнакопители (конденсаторы): наноматериалы для электродов (углеродный аэрогель, углеродные нанотрубки, наночастицы оксидов металлов, электролиты для повышения плотности электроэнергии).

Химическая энергия: водород, нанопористые материалы, металлорганика, гидриды металлов для микротепловых панелей в мобильной электронике, в автомобилях.

Трансформация (модификация) и очистка топлива: нанокатализаторы для повышения эффективности добычи, перегонки нефти, десульфуризации нефти, сжижения угля.

Резервуары для топлива: нанокомпозитные материалы для снижения улетучиваемости углеводородов.

Тепловая энергия: материалы с «памятью» формы для кондиционирования зданий.

Адсорбционное хранение: нанопористые материалы (цеолиты) для обратимого хранения тепла в зданиях и тепловых сетях.

Использование энергии.

Теплоизоляция: нанопористые пены и гели, аэрогели, полимерные пены для теплоизоляции зданий и в промышленных технологиях.

Кондиционирование воздуха: умное управление световыми и тепловыми потоками в зданиях с помощью наноэлектрохромных окон, микрозеркал и ИК-рефлекторов.

Легкие конструкции: материалы на основе нанокомпозитов, углеродные нанотрубки, металлополимерные композиции, легкие металлические изделия с нанопокрытием.

Промышленные процессы: замена энергозатратных процессов на нанотехнологии (нанокатализаторы, самосборка).

Освещение: энергосберегающие системы (лампы, светодиоды, квантовые точки).

Из предыдущего краткого изложения возможных вариантов использования нанотехнологий в энергетике в настоящее время и в будущем, следует, что это возможно во всех областях производства, распространения, хранения и использования всех видов энергии, произведенной из невозобновляемых и возобновляемых источников. В традиционных источниках энергии (полезные ископаемые, атомная энергетика) и в альтернативных возобновляемых источниках (фотовольтаика, геотермальная энергия солнца, ветра, воды и приливов, биомассы) начинают использовать нанотехнологии в различной форме.

Можно будет прогнозировать практическое расширение нанотехнологии в будущем. Так нанопокрытия для погодостойких бурильных установок позволяют оптимизировать и повышать эффективность при добыче нефти, газа и в геотермальной энергетике. Нанопокрытия можно применять для защиты от погоды и коррозии различных устройств во всех случаях эксплуатации установок на открытом воздухе и в воде. Обеспечение конструкций при одновременном повышении их прочности достигается с помощью легких и прочных нанокомпозитов, в которых полимерная матрица наполнена наночастицами, нановолокнами, нанотрубками различной химической природы.

Нанотехнологии играют важную роль во всех направлениях энергетики, использующей солнечную энергию (гибкая фотовольтаика с антирефлекторным нанопокрытием на основе кремния, красителей, полимеров). Среднесрочный прогноз повышения эффективности использования нанотехнологий в совершенствовании первичных источников энергии на 10%, долгосрочный – на 60%.

Превращение первичных источников в различные виды энергии.

Превращение первичных источников энергии в электрическую, тепловую и кинетическую требует повышения эффективности, которая далеко не всегда высокая. При этом необходимо еще и не увеличить выброс углекислого газа в атмосферу, что наиболее актуально при сжигании газа и на паровых электростанциях. Повышение эффективности превращений энергии требует существенного повышения температуры и, следовательно, повышения термостойкости лопаток турбин, снижение веса частей турбин (материал из сплава титана и алюминия). Снижение выброса углекислого газа достигается использованием наноразмерных мембран для улавливания углекислого газа при сжигании угля на электростанциях.

При выработке электрической энергии за счет химической в топливных элементах, используют наноструктурированные электроды, катализаторы и мембраны, что очень важно для повышения эффективности топливных ячеек в электромобилях, при обогреве зданий, в мобильной электронике. В термоэлектрических превращениях используют те же подходы. Наноструктурированные полупроводники с оптимальными пограничными слоями повышают эффективность при утилизации тепла в автомобилях, при использовании тепла тела человека для выработки электричества для зарядки мобильной электроники, встроенной в одежду.

Снижение потерь при передаче энергии и умные линии передач.

Эта задача может быть решена за счет сверхпроводимых наноматериалов (углеродные нанотрубки) при изготовлении электрокабелей и линий электропередач. В долгосрочной перспективе – беспроводная передача энергии с помощью лазеров, микроволновых устройств или электромагнитного резонанса. Использование нанотехнологий для оптимизации распределения электроэнергии с целью ее большей доступности и дешевизны (сенсорные устройства, мониторящие распределение электричества в цепях).

Хранение энергии.

Нанотехнологии с успехом могут быть использованы в повышении эффективности хранения энергии (Li-ионные батареи с нанокерамическими элементами, теплостойкие, гибкие, фильтрующие наноматериалы, высокоэффективные электроды). Эти элементы нанотехнологий используются в электро- и гибридных автомобилях, также и в стационарных условиях хранения энергии.

Очень перспективным является хранение водорода в нанопористых материалах, поскольку водород в будущем займет одно из ведущих мест среди других носителей энергии.

Нанопористые металлоорганические материалы используются для портативной, мобильной электроники. Для хранения тепла в зданиях используют наноматериалы с «памятью» формы, как латентные хранители тепла. С этой же целью используют адсорбционный способ хранения тепла с помощью природных наноматериалов из цеолита. Сорбция влаги в порах цеолита обеспечивает реверсивное хранение тепла.

Использование энергии.

Помимо стабильного, устойчивого снабжения энергией и одновременной оптимизации развития эффективных источников энергии, необходимо обеспечить эффективность использования энергии, снизить потери энергии при ее использовании. Этот системный подход решается с помощью нанотехнологий. Пример снижения расхода топлива в транспорте всех видов – снижение общего веса транспорта за счет использования легких и прочных нанокомпозитных материалов, составляющих значительную часть в современном транспорте, оптимизация работы двигателей за счет нанопокрытий, добавки в топливо наноприсадок, за счет конструкции экономических легких шин колес с высоким сроком эксплуатации.

Рисунок 2. Дорожная карта использования НТ в энергетике.

На рисунке 2 показаны сценарий и примеры использования нанотехнологий во всех ипостасях энергетики настоящего и будущего.

Из краткого изложения возможностей нанотехнологий в решении проблем энергетики настоящего и будущего следует, что этот путь позволит решать глобальные и локальные проблемы энергетики за счет разнообразных наноматериалов нового поколения, создания и развития новых видов производства и хранения энергии при одновременном улучшении глобальной и локальной экологии за счет снижения выброса углекислого газа в атмосферу, особенно за счет производства энергии путем снижения использования углеводородного топлива.

Основные возможности нанотехнологии в решении проблем энергетики.

Химические средства:

• Более эффективные нанокатализаторы в топливных элементах за счет увеличения общей поверхности катализатора и природы катализаторов.
• Более мощные батареи, аккумуляторы и супернакопители за счет увеличения поверхности электродов из наноматериалов.
• Оптимизация наноструктуры термо- и коррозиестойких мембран для использования электролитных топливных элементов на основе полимеров и в Li-ионных батареях.

Механика, конструкция:

• Повышение прочности конструкционных материалов для лопаток роторов на ветряках.
• Нанопокрытие для бурильных установок, для компонентов двигателей и их корпуса.
• Разделительные наномембраны для сепарации газа (очистка выбросов углекислогогаза при сжигании угля на электростанциях).
• Газонепроникающие полимерные наноматериалы для снижения выделения испарений углеводородов из хранилища топлива.

Оптика:

• Оптимизация абсорбции света солнечными панелями за счет использования квантовых точек и нанослоев в панелях.
• Антиотражательные свойства солнечных панелей для повышения выхода энергии.
• Люминесцентные полимеры для производства светодиодов с высоким выходом энергии.

Электроника:

• Оптимизация проводимости электронов с помощью использования углеродных нанотрубок и наноструктурированных сверхпроводников.
• Электроизоляция за счет наноструктурированных наполнителей в компонентах высоковольтных линий.
• Использование наноструктурированных многослойных пленок в термоэлектрических установках.

Термические процессы:

• Наноструктурированные теплоизоляционные материалы лопаток газовых турбин авиадвигателей.
• Повышение теплопроводности углеродных нанотрубок для оптимизации теплообмена.
• Оптимизация хранения тепла на основе нанопористых материалов (цеолиты) или микрокапсулированных материалов с изменяющимся фазовым состоянием.
• Использование нанопен, как суперизоляции в зданиях старого типа и транспорта.

Инновационный потенциал нанотехнологии.

Значимость энергетики во всех ее проявлениях абсолютна, она занимает ведущее место в жизни современного человека, как индивидуума, так и всего сообщества. Так было всегда, когда человек на заре цивилизации научился пользоваться огнем, подаренным полубогом, получеловеком Прометеем (выкрал огонь у богов, заседавших на Олимпе). Сегодня энергетика всегда и везде (обогрев в зданиях, все промышленные процессы, информатика, транспорт и т.д.). Без энергетики и различных ее форм современный человек немыслим.

В дальнейшем потребности в энергии будут только возрастать, а меняться будет только баланс, соотношение традиционных невозобновляемых и альтернативных возобновляемых источников энергии. Очевидно, что уже сейчас, а в дальнейшем в еще большей степени придется экономить расходы всех видов энергии, решая одновременно и экономические проблемы выброса продуктов сгорания традиционного топлива. Эти задачи можно решить только за счет инноваций всех форм, и, прежде всего, за счет достижения нанотехнологий, всего комплекса технологий и, безусловно, бионики.

В настоящее время мировое потребление энергии составляет 12000 (МТОЕ) миллион тонн (в эквиваленте тонн нефти) и возрастет к 2030 году до 18000 МТОЕ. Основной вклад в столь высокий (~ 50 %) рост потребления обусловлен ростом экономики развивающихся стран (Китай, Индия), в которых не особенно пока озабочены экономией энергии.

Наибольшая потребность и расход энергии происходят во всех промышленных процессах, на транспорте, в обслуживании зданий, в других секторах бизнеса (торговля, сервис). Однако, наблюдается определенное различие в структуре потребления энергии в разных странах и регионах. Так, в индустриально развитых странах (Западная Европа, США, Япония), транспорт занимает ведущие позиции в расходе энергии, на вторые позиции выходит промышленность, в которую интенсивно внедряются новые энергосберегающие технологии.

Можно ожидать, что развивающиеся страны пойдут (уже начинают) по пути экономии энергии, замены традиционных источников энергии (тем более они их не имеют) на возобновляемые.

На рисунке 3 показана диаграмма структуры мирового расхода энергии по видам потребителей до 2030 года.

Рисунок 3. Потребление энергии различными видами потребителей.

Как можно видеть, в мировом потреблении энергии доля промышленности падает, а доля транспорта и домовых хозяйств возрастает.

В настоящее время примерно 80 % мирового потребления энергии приходится на ископаемые углеводороды (нефть, газ, уголь). Эксперты прогнозируют, что до 2030 года их доля существенно не изменится.

Разные страны и регионы, в зависимости от того имеется ли у них ископаемые углеводороды, ставят задачу их замены в той или иной степени. Так ЕС ставит такую амбициозную задачу – добиться увеличения доли альтернативных источников энергии на 20%, расход газа в домохозяйствах на 20% и повышение эффективности использования энергии на 20% к 2030 году. Германия в своих планах идет дальше и наметила заменить на 50% расход углеводородных источников к 2050 году.

Эксперты обозначили временный рубеж исчерпания невозобновляемых источников энергии: нефти, газа, урана хватит на 40–60 лет, угля на 200 лет. Правда запасы нефти увеличиваются за счет тяжелой нефти и сланцевой нефти, но добыча такой нефти дороже, и сама нефть будет дорогой.

На рисунке 3 показан прогноз потребления энергии различных видов и различных источников вплоть до 2100 года.

Рисунок 3. Потребление энергии различными видами потребителей.

Инновационный потенциал нанотехнологий применительно к энергетике во всех ее секторах.

Для обеспечения надежности, экономичности, эффективности глобальных и локальных систем обеспечения энергии необходимо не только развивать традиционные и новые источники энергии, по возможности дружественные к окружающей среде, но и минимизировать потери энергии при ее передаче пользователям, производить и эффективно распределять конечные (электромеханическая, тепловая и др.) виды энергии для различных областей потребления и гибко и эффективно использовать энергию у конечного потребителя (промышленность, транспорт, сервис, домохозяйство).

Все перечисленные этапы можно оптимизировать, в том числе и с помощью нанотехнологий. Последнее определяется в значительной степени от политических, экономических, экологических и общих условий в странах, регионах и на глобальном уровне. Но очень многое зависит от уровня развития и возможностей нанотехнологий.

Развитие с помощью нанотехнологий первичных источников энергии.

Фотовольтаика.

Мировой рынок устройств использования солнечной энергии быстро развивается. Так в 2007 году он составлял 16 миллиардов DS, а в 2010 году уже 30 миллиардов DS, т.е. увеличился почти в два раза. Этот очень бурный рост характерен для стран с развитой экономикой (Япония, Германия, США). Эксперты ожидают, что в течение 2–3-х десятилетий фотовольтаика обеспечит 20–30% от всей мировой потребности в энергетике. В Германии по данному направлению ведут разработки 150 компаний, где работает 50 тысяч сотрудников, годовой оборот насчитывает 4 миллиарда евро.

Однако, в настоящее время энергия, вырабатываемая с помощью продукции фотовольтаики неконкурентна по цене (~ в 3 раза дороже) с энергией, полученной на электростанциях (дорогой материал, низкий КПД и т.д.). Эти проблемы фотовольтаики решаются за счет использования нанотехнологий (полимерная, тонкопленочная, на основе фотоактивных красителей в фотовольтаике).

Фотовольтаика находит применение в портативной электронике, для контроля движения транспорта, в телекоммуникационных системах, в производстве нового поколения электродов. Среднесрочный прогноз по фотовольтаике на основе нового поколения полимеров – 10% от всей фотовольтаики.

На рисунке 5а показана динамика роста на мировом рынке фотовольтаики в период 2004–2010 года, а на рисунке 5б схематично показаны различные виды фотовольтаики и вклад каждой в рыночную продукцию в 2007 году. А на рисунке 5в представлены различные виды материалов для солнечных батарей.

Рисунок 5.

Использование силы ветра.

Мировой рынок использования силы ветра для производства электроэнергии в 2011 году составил примерно 50 миллиардов DS, а динамика роста по годам в период 2006–2011 года показана на рисунке 6.

Рисунок 6.

В Европе лидирующее положение по использованию ветряков занимает Германия (64 тысячи пользователей), оборот ~ 5 миллиардов евро в год. Около половины всех ветряков в мире задействованы в Германии, при этом себестоимость этого вида производства энергии в Германии сопоставимо с традиционными (электростанции различных видов).

Нанотехнологии в случае использования силы ветра используются для облегчения всей прочности (нанокомпозиты) и оптимальной устойчивости к светопогодостойкости (нанопокрытия) лопастей ветряков, антикоррозионные нанопокрытия коробки передач, наноматериалы для электропроводников, нанооптимизация хранения энергии и передачи ее на линии передач.

Использование биомассы как источника энергии (биотопливо).

Это самый древний источник энергии, поскольку древесину (дрова) человек использует от начала цивилизации, когда он овладел огнем, и до настоящего времени. Целлюлоза как полисахарид – один из главнейших продуктов растительного мира замечательно горит, давая тепло до сих пор при обогреве домов и в кострах на природе.

Существуют теории, что уголь, торф, нефть, газ являются продуктами биологических и химических превращений погибших растений и животных, произошедших много миллионов лет тому назад в толще земли. При сгорании и крекинге всех видов ископаемого топлива и растительных материалов (древесина, соломы, водоросли, злаковые) образуются близкие по химическому составу продукты. В настоящее время под понятием биомассы как источника энергии понимают различные виды растений в различных формах: отходы деревообработки, различные непригодные или малопригодные злаковые, разные виды трав.

В странах ЕС до 6–8% энергии получает из биотоплива. Лидерами являются Финляндия и Швеция, в которых доля биотоплива составляет соответственно 16 и 20% от общего потребления энергии. Но в общем мировом потреблении энергии этот источник составляет только примерно 11%.

Очень важную роль в балансе источников энергии на основе биомассы начинают занимать водоросли различных видов (http://rusnor.org/…es/10690.htm http://rusnor.org/…es/10752.htm). Причем используются водоросли, произрастающие в естественных водоемах и разводимые на специальных биофермах промышленным способом. Лидерами в мире первом случае является Китай, а во втором США.

Различные виды биомассы используется как источники энергии. Как таковые их в качестве топлива (сжигают) или подвергают сложным термохимическим превращениям, получая из них жидкое биотопливо (биометанол, биоэтанол, биодизель, биогаз и др.), как в случае коксо-, нефте- и газохимии. В этих термохимических превращениях растительной биомассы нанотехнологии реализуются через интенсификацию этих технологий за счет нанокатализаторов (повышение выхода конечного продукта, управление процессом с помощью наносенсоров) (рис.7).

Рисунок 7. Схема трехуровневой переработки водорослей в биотопливо и другие полезные продукты.

В случае выращивания водорослей на биофермах используют нанокапсулированные добавки ферментов и питание водорослей.

Рисунок 8.

На рисунке 8 показана общая схема трехуровневой переработки биотоплива.

Солнечная тепловая энергия.

Это тепловая энергия солнца, используемая как таковая или для перевода ее в электрическую энергию. Широко используется в настоящее время в странах и регионах с теплым жарким климатом (США, Австрия, Австралия, Африка, южная Европа). Различают низко-, средне- и высокотемпературные тепловые коллекторы, собирающие тепловые лучи солнца.

Низкотемпературные чаще всего используют для нагрева бассейнов, среднетемпературные для обогрева жилых и промышленных зданий, высокотемпературные используют в качестве зеркал и линз для концентрации солнечных лучей, способных нагревать теплоноситель до 300°С для промышленных целей.

Среднетемпературные коллекторы используют для обогрева, охлаждения и вентиляции в «умных» современных домах. Этот источник энергии имеет высокий КПД до 60–70 % и выигрывает у других источников энергии по себестоимости. С 2009 по 2013 годы инвестиции в этот сектор энергетики возросли с 1,8 до 6,8 миллиардов DS.

На рисунках 9 а,б показаны схемы использования солнечного тепла (до 400°С) для промышленного производства электричества и примеры практического использования солнечной энергии для обогрева помещений и для малых электростанций.

Рисунок 9.

Нанотехнологии используются для повышения эффективности сбора солнечных тепловых лучей за счет антиотражательных нанопокрытий, использования полимерных наноматериалов с изменяющимся фазовым состоянием для хранения энергии, использования углеродных покрытий с высокой эффективностью сорбции тепловых лучей и для повышения термо- и механостойкости коллекторов.

Геотермальная энергетика.

Геотермальная энергетика используется главным образом в вулканических районах Земли и для отопления и производства электрической энергии на специальных электростанциях. Различают гидротермальную и петротермальную энергетику. Гидроэнергетика – это использование горячей воды, нагретой вблизи вулканических пород (от 40 до 100°С и более), а петроэнергетика основана на глубинном бурении на глубину до 5–10 км, где температура соответственно 125–250°С.

Лидером в использовании геотермальной энергетики является США, на втором месте находятся Филиппины, где объем этого вида энергетики в 2 раза меньше, чем в США. Россия, где существует вулканические районы (Камчатка, Курилы и другие), неэффективно использует этот потенциал, мощность геотермических станций в РФ в 100 раз ниже, чем в США.

Нанотехнологии могут быть использованы для термо- и коррозионностойких нанопокрытий бурильных установок.

Преобразование разных видов энергии.

При трансформации, преобразовании одного вида энергии в другой, прежде всего, необходимо повышать эффективность этих переходов. Это очень важно при трансформации энергии традиционных видов топлива (нефть, газ, уголь) путем сжигания и использования турбин и двигателей внутреннего сгорания или в случае топливных элементов, где эффективность превращения химической энергии в электрическую является проблемой экономичности.

Те же проблемы повышения эффективности не решены и во всех других видах превращения энергии. Проблемы эффективности превращения энергии тесно связаны с экологическими проблемами снижения выброса СО₂ в атмосферу при сжигании топлива на электростанциях, в двигателях всех видов транспорта, превращения энергии топлива при сжигании в двигателях и турбинах.

Особо остро проблема эффективности стоит в случае использования угля на электростанциях. В настоящее время использование достижений нанотехнологий позволило поднять эффективность до 45%. Еще несколько лет назад было только 35%. Современные газовые турбины характеризуется эффективностью 60%. Полная замена угля на газ на электростанциях позволит снизить выброс СО₂ в атмосферу на 35%.

Повышение эффективности производства электричества на электростанциях за счет сжигания топлива достигается за счет существенного повышения температуры сжигания (600°С), а это требует создания термостойких деталей турбин. Для этого используется термостойкие градиентные титаносодержащие нанопокрытия.

Для снижения выбросов СО₂ в атмосферу при использовании угля при сжигании используют наномембранную технологию. На рисунке 10 показано использование нанотехнологий в конструкциях современных турбин.

Рисунок 10.

Топливные элементы.

С помощью топливных элементов с высокой эффективностью преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую. Для работы топливных элементов в качестве химического сырья используют чистый водород, а также природный газ, метанол, бензол или биогаз, которые служат источником водорода. Топливные элементы это своеобразное электрохимическое устройство, в котором вещества («сырье») для электрохимических реакций, в результате которой возникает электрический ток, подаются в устройства извне (в отличие от батареек, аккумуляторов, и конденсаторов, где все реагенты находятся внутри этих устройств). Пример такого топливного элемента на основе водорода показан на рисунке 11.

Рисунок 11.

Самым простым природным топливным элементом является часть живой клетки – митохондрия, которая перерабатывает химическую энергию органических веществ (например, «сжигая» жирные кислоты и синтезирует АТФ – универсальный источник энергии в живых организмах). Этот принцип превращения энергии в технике пока не реализован (бионика), но не исключено, что мы этого дождемся.

Поскольку в топливных элементах химическая энергия «без посредников» непосредственно превращается в электрическую, то достигается высокая эффективность преобразования, достигающая в настоящее время 80% (без посредников во всех делах эффективность выше), но теоретически может превышать даже 100% (за счет дополнительного использования выделяющегося в химических реакциях тепла).

Топливные элементы в отличие от батарей и аккумуляторов могут работать до тех пор пока в них извне будут поступать химические реагенты, чаще всего Н₂ и О₂, а батареи и аккумуляторы перестают работать как только в них израсходуется реагенты. Топливные элементы в отличие от батареек и аккумуляторов не могут хранить электрическую энергию и должны быть подключены к потребителю электричества или к устройству хранения электричества. Необходимым устройством в топливных элементах является разделительная мембрана (проницаема для протонов, но не для электронов) из специального полимерного материала.

Область использования топливных элементов – мобильные устройства, электромобили, тепло- и электроснабжение домов, локальные маленькие электростанции, двигатели на яхтах, приватные информационные системы. В зависимости от области применения топливные элементы имеют различную конструкцию и виды используемых реагентов.

Вклад нанотехнологий в этот вид конверсии энергии – это миниатюризация устройства, совершенствование разделительных мембран, наноструктурированных электродов, использование нанокатализаторов. Для примера на рисунке 11 показана схема топливного элемента с электролит/электрод-ячейкой с использованием Н₂ и О₂ как реагентов.

Термоэлектричество.

Термоэлектричество – это прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (можно направить трансформацию энергии в обратную сторону, то есть электрическим током нагревать или охлаждать систему).

В термоэлектрическом устройстве используется эффект Зеебека, то есть появление напряжении между двумя точками электрического проводника при наличии разницы температур в этих точках. Чем больше разница, тем больше электрической энергии возникает в проводнике. Материал электропроводника должен обладать хорошей электропроводностью и низкой теплопроводностью (сплав кремний/ германий), в котором генерируется ток при градиенте температуры 700°С.

Нанотехнологии в термоэлектричестве используются для производства полупроводников с оптимальным пограничным слоем. Термоэлектрические устройства используют в современных автомобилях, где образующиеся при сжигании топлива в двигателе продукты утилизируются для производства электричества, которым питают всю бортовую аппаратуру или используют физиологическое тепло тела человека для питания различных гаджетов, вмонтированных в текстиль умной одежды. Еще одна область использования термоэлектричества – в портативных холодильниках.

Сжигание и электродвигатели.

Значительная часть мирового потребления энергии приходится на индивидуальный моторизованный транспорт, работающий пока на двигателях внутреннего сгорания. Поэтому задача повышения эффективности в энергетике в значительной мере зависит от эффективности работы двигателей внутреннего сгорания.

Нанотехнологии помогают произвести термо- и коррозионностойкие детали двигателей за счет наноструктурированного покрытия, создавать более эффективное устройство вспрыскивания дизельного топлива под высоким давлением, добавки наноприсадок в топливо (бензин, дизельное), повышающие эффективность сгорания и экономя до 5–10% топлива. В будущем в электродвигателях с помощью нанотехнологий предполагается использовать сверхпроводимые материалы. Область применения таких электродвигателей расширится до авиации и производства газовых турбин.

Производство источников химической энергии.

Наиболее перспективным источником энергии удобным для хранения является водород, на котором как топливе могут работать топливные элементы. Проблема заключается в создании инфраструктуры промышленного производства водорода и создание широчайшей сети заправочных станций для электроавтомобилей. В настоящее время в США работают несколько сот таких заправок. К 2020 году планируется, что 6 миллионов электроавтомобили на водородном топливе будут бегать по дорогам Европы. Нанотехнологии вносят свой вклад в эту проблему путем разработки биохимической и фотохимической схемы производства Н₂.

Хранение энергии.

Эта проблема стоит на всех фазах энергетики: от добычи топлива, превращения энергии, ее распространения и до использования конечным потребителем. Хранение энергии может быть необходимо в разных его формах (тепло, электричество, давление, химическая). Самую большую роль в этом ряду играет хранение тепловой энергии, используемой для обогрева зданий.

Хранение энергии на гидроэлектростанциях осуществляется в реверсивном (обратимом) режиме, при котором ГЭС имеет два бассейна (верхний и нижний, верхний может быть естественным). В часы низкого потребления электричества потребителем примерно (~7–12 часов в сутки) вода сбрасывается из верхнего бассейна в нижний, при пиковом (~2–6 часов в сутки) вода поднимается на турбину, где вырабатывается ток, идущий в сеть. При этом выравнивается нагрузка на потребление и снижается цена вырабатываемой электроэнергии.

Нанотехнологии «участвуют» в повышении эффективности ГЭС в производстве износостойких деталей глубинных насосов и термостойких лопаток турбин с наноструктурированным покрытием из металлокерамики.

Хранение электрической энергии.

В настоящее время хранение электрической энергии в основном используется в мобильной электронике (батарейки, аккумуляторы), а в будущем планируется широкое использование в гибридных электромобилях.

К устройствам для хранения электроэнергии, особенно используемым в мобильной электроники, предъявляются следующие требования: высокая эффективность и плотность энергии, время жизни, скорость включения, термостойкость, безопасность.

Многие из этих свойств создаются с использованием нанотехнологий. Примером являются Li-ионные батареи, отличающиеся высокой энергией и ее высокой плотностью. Такие батареи могут быть использованы в электромобилях, в ветряках, как мостик между потребителем и изменяющимся режимом производства электроэнергии. В будущем планируется использование таких батарей в «умных» и децентрализованных системах хранения электричества.

Хранение химической энергии.

В будущем хранение в химической форме будет играть очень большую роль, особенно хранение водорода как возобновляемого источника энергии. Решение этой проблемы на практике будет зависеть от создания инфраструктуры производства и хранения Н2, от эффективного менеджмента в этой индустрии производства, хранения и потребления Н₂.

Существует четыре способа хранения Н₂.

1. В жидкой форме при температуре 270°С, эффективность хранения 7,5% от веса; преимущества и недостатки: малый объем, очень дорогая изоляция, потери энергии при сжигании, утечка газа при хранении.
2. Газообразный Н₂ при давлении 70 бар, эффективность хранения 6%; преимущества и недостатки; плохая технологичность, большие объемы резервуаров, большие риски из-за высокого давления.
3. Использование наноразмерных гидридов металлов, например MgH₂, при температуре 300°С и давлении 8 бар, эффективность хранения 4–7%; преимущества и недостатки: высокий вес, низкая потребность в объеме, высокая температура.
4. Использование нанопористых материалов на основе металлоорганики при температуре 210°С, давление 500 бар, эффективность хранения 7,5 %; преимущества и недостатки: малый вес, низкая температура, большой объем.

В технология хранения Н₂ большое значение имеют барьерные свойства материалов хранилищ, которые выполняются из композитов с нанонаполнителем.

Хранение тепла.

Хранение тепла играет большую роль при обогреве и охлаждении зданий и человека с помощью «умной» одежды. И в том и другом случае используют традиционные изоляционные материалы – микропористые и новое поколение нанопористых (цеолиты) материалов, изменяющих фазовое состояние в зависимости от температуры. Последние обратимо абсорбируют тепло при фазовом переходе высвобождения тепла в окружающую среду.

Распространение энергии.

Проблема эффективности передачи энергии остро стоит при использовании традиционных линий передач, неспособных гибко адаптироваться к постоянным изменениям в подаче в них электроэнергии от её генераторов и потребления от пользователей. Для решения этих проблем адаптации и эффективности распространения энергии с использованием нанотехнологий создают наносенсоры и сверхпроводящие материалы на основе углеродных нанотрубок.

В долгосрочной перспективе для передачи энергии планируют использовать беспроводные технологии (лазер, микроволны, электромагнитный резонанс). В будущем планируется использовать солнечную энергию в космосе, преобразуя ее в электрическую и передавая на Землю с помощью лазеров и микроволновых устройств.

Экономический потенциал нанотехнологий в секторе экономики.

Нанотехнологии имеют огромный экономический потенциал использования во всех сферах энергетики, способствуя повышению эффективности и экологичности на всех стадиях: все виды источников энергии, производства, хранения и трансформации энергии, ее передачи и использования. Эксперты называют цифру в 40 миллиардов DS в краткосрочном периоде за счет использования нанотехнологий в энергетике.

Энергия на транспорте и нанотехнологии.

• Легкие конструкции за счет использования нанокомпозитов в конструкции автомобилей, самолетов, судов и других видов транспорта. На рисунках 12 и 13 показано использование нанотехнологий в автотранспорте и в самолетах.
• Экономия топлива за счет наноприсадок в форме наночастиц и износостойкая нанозащита частей двигателя.

Рисунок 12. Использование нанотехнологий в современном легковом автомобиле.

Рисунок 13. Использование нанотехнологий в современном самолете.

Современные промышленные и жилые строения.

• Термо- (тепло-) изоляция за счет использования нанопористых материалов и нанокомпозитов для контроля за свето- и теплопотоками за счет умных стекол, тепловых рефлекторов. 80% изоляционных материалов используют в частных домах (2006 год – в Европе производство теплоизоляционных материалов оценивалось в 3 миллиарда DS).
• Использование различных видов светодиодов для освещения (мировой рынок в 2010 году – 83 миллиарда DS, с годовым ростом ~15–20%). В будущем использование в передних фарах автомобилей, дисплеях компьютеров и ТВ. Огромная экономия (десятки процентов) за счет использования диодов в рекламе.

Хранение энергии.

Использование нанотехнологий в хранении энергии сосредоточено на совершенствование Li-ионных батарей для портативной электроники, электро- и гибридных автомобилей, при создании нанопористых материалов для хранения Н2. В 2014 году выигрыш от использования нанотехнологий в хранении энергии составил 5 миллиардов DS. Мировой оборот продаж только Li-ионных батарей в 2014 году составил 4 миллиарда DS.

Топливные солнечные элементы.

Использование нанотехнологий в области конверсии энергии, особенно совершенствование топливных элементов и солнечных панелей. В ближайшее время объемы производства достигнет в ценовом выражении ~10 миллиардов DS. Только оборот тонкослойных солнечных панелей в 2010 году на рынке составил 2 миллиарда DS. В основном это системы, построенные на замещение кремния на иные полупроводниковые материалы. Эта технология позволяет производить наноструктурированные слои с высокой фотоэффективностью. Эти материалы обладают термостойкостью, высокой фотоактивностью и находят применение в таких областях, как плоские надежные крыши – солнечные панели.

Ещё более динамично на основе нанотехнологий растет мировое производство топливных элементов. В 2013 году их было произведено на 18 миллиардов DS. В Европе в 2010 году было произведено топливных элементов на 1 миллиард евро, а в 2020 году производство планируется увеличить более чем в 20 раз (21,5 миллиардов евро). Такой рост производства топливных элементов связан с переходом в европейском и мировом автопроме от бензиновых и дизельных двигателей на электро-, гибридные и водородные двигатели.

На рисунке 14 показана динамика роста потребления солнечных панелей на основе тонких слоев различного состава и топливных элементов, которые подтверждают высокую динамику развития этих направлений энергетики с использованием нанотехнологий.

Рисунок 14. Динамика роста потребления солнечных панелей на основе тонких слоев различного состава и топливных элементов.

Высоко температурные сверхпроводники.

Это область также является интересным объектом приложения нанотехнологий, но мировой рынок этой продукции пока невелик, скорость его роста мала и в 2014 году составляля 300 миллионов DS, но к 2025 году достигнет 18 миллиардов DS. Основная экономия от использования ВТСП – понижение потери энергии при её передаче в двигателях, генераторах, преобразователях, трансмиссиях.

Термоэлектричество.

Это область конверсии энергии остается пока в лидерах, но и в ней использование нанотехнологий позволяет в настоящее время на мировом рынке иметь продукцию на основе принципа термоэлектричества объемом ~1 миллиард DS.

Использование вторичного тепла от двигателей на транспорте для производства локального электричества позволит в будущем сэкономить до 2/3 затрагиваемой энергии на транспорте, используя локальные термогенераторы (фирма BHW еще в 2011 году начала применять термогенераторы мощностью 750 ватт).

В заключение представим две обобщающие диаграммы и схему, подытоживающие предыдущий материал. На рисунке 15 представлена дорожная карта (стратегия) развития мировой энергетики в кратко-, средне- и долгосрочных прогнозах, при этом указаны главные направления и их решения с помощью нанотехнологий. На рисунке 16 обозначены основные цели использования энергетики в будущем и средства достижения этих целей. Наконец, на рисунке 17 представлена дорожная карта основных проблем (фаз общей цепочки) энергетики и их достижение с помощью нанотехнологий.

Рисунок 15. Цели энергетики и их решения с помощью нанотехнологий

Рисунок 16. Инфраструктура исследований развития энергетики с использованием нанотехнологий

Рисунок 17. Дорожная карта (стратегия) развития энергетики.

Послесловие автора.

Автор не специалист в энергетике, но нанотехнологии проникают всюду и особенно в энергетику, без которой развитие мира затормозится. Задача обзора показать специалистам и околоспециалистам в области наноэнергетики, что нанотехнологии изменяют саму парадигму развития цивилизации, и путь использования исключительно полезных ископаемых в виде топлива – путь в никуда. И скорее является политическим тормозом развития прогресса. И это в первую очередь должна понять пытливая молодежь, а не циничные политики.

Литература.

*1. Hessian Ministry of Economy, Transport, Urban and development (2008), Application of nano-technologies in the Energy Sector (http://www.hessen-nanotech.de/…ergy_web.pdf). *

*2. Nanoforum, European Nanotechnology Gateway (2004), Nanotechnology Helps Saving the World's Energy Problems (http://www.nanoforum.org). *

*3. Nanoscience Research for Energy Needs, National Nanotechnology Initiative 2004 (https://public.ornl.gov/conf/nanosummit2004/energy_needs.pdf). *

*4. Nanotechnology: Energizing the Future, Nanofrontiers Newsletter Fall 2008, Wooodrow Wilson International Center for Scholars, Project on Emerging Nanotechnologies (http://www.nanotechproject.org/publications/archive/nanotechnology_energizing_future/). *

*5. ObservatoryNANO Focus Report, Nanotechnology in batteries, April 2010 (http://www.observatorynano.eu) (includes a market evaluation report). *

*6. ObservatoryNANO Focus Report, Nanotechnology in batteries for electric vehicles, April 2010 (http://www.observatorynano.eu) (includes a market evaluation report). *

*7. Gratzel, M„ ‹Photoelectrochemical cells›, Nature, 2001, 414, 338–44. *

*8. Pandolfo, A. G., Hollenkamp, A. F., ‹Review: Carbon properties and their role in supercapacitors›, Journal of Power Sources, 2006, 157, 11–27. *

*9. Smalley, R. E,, ‹Future Global Energy Prosperity: The Terawatt Challenge›, Materials Matters Bulletin, Vol. 30, June 2005, 412–417; a comprehensive overview of the ‹Energy challenge› discussed by Professor R. E. Smalley is available online (http://smalley.rice.edu) (free access). *

*10. Zach, M., Hagglund, C„ Chakarov, D., Kasemo, B., ‹Nanoscience and nanotechnology for advanced energy systems›, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 10 (2006) 132–143. *

*11. Boukai, A. I., Bunimovich, Y., Tahir-Kheli, J., Yu, J.-K., Goddard, W. A., Heath, J. R., ‹Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials›, Nature, 2008, 451, 168–171. *

*12. Bowers II, M. J., McBride, J. R., Rosenthal, S., ‹White-Light Emission from Magic-Sized Cadmium Selenide Nanocrystals›, Journal of the American Chemical Society, 2005, 127, 15378–15379. *

*13. Du, C., Pan, N., ‹High power density supercapacitor electrodes of carbon nanotube films by electrophoretic deposition›, Nanotechnology, 2006, 17, 5314–5318. *

*14. Lauritsen, J. V., Bollinger, M. V., Laegsgaard, E., Jacobsen, K. W.,** N0rskov,** J. K., Clausen, B. S., Topsoe, H., Besenbacher, F., ‹Atomic-scale insight into structure and morphology changes of MoS2 nanoclusters in hydrotreating catalysts›, Journal of Catalysis, 2004, 221, pp. 510–522. *

*15. Lauritsen,J. V., Nyberg, M., Vang, R. T., Bollinger, M. V., Clausen, B. S., Topsoe, H., Jacobsen, K. W., **JS **Laegsgaard, E., Norskov, J. K., Besenbacher, F., ‹Chemistry of one-dimensional metallic edge states in MoS2 nanoclusters›, Nanotechnology, 2003, 14, pp. 385–389. *

*16. Raja, K. S., Mahajan, V. K., Misra, M., ‹Determination of photo conversion efficiency of nanotubular titan- ji9 ium oxide photoelectrochemical cell for solar hydrogen generation›, Journal of Power Sources, 2006, 159,1258–1265. *

*17. Schlapbach, L., Zuttel, A., ‹Hydrogen-storage materials for mobile applications›, Nature, 2001, 414, '' ' 353–358. *

*18. Taberna,P. L., Mitra, S., Poizot, P., Simon, P., Tarascon, J-M., ‹High rate capabilities Fe304 -based Cu nanoarchitectured electrodes for lithium-ion battery applications›, Nature Materials, 2006, 5, 567–573. *

*19. Balzer, G. et al. „Elektrische Energietechnik: Schlusseltechnologie der Zukunft", Forschung 2/2007 TU Darmstadt *

*20. Becker,** M., Schneller, T.** „Neue Wege zu Hochtemperaturleitern", Nachrichten aus der Chemie, 55, December 2007 *

21. Cientifica „Nanotechnologies and Energy", whitepaper, Cientifica, London, 2/2007, www.cientifica.eu

22. CLSA „Solar Power Sector outlook", July 2004, www.clsa.com

23. EPIA, Greenpeace „Soiar Generation IV- 2007", Bericht der European Photovoltaics Industry Association und Greenpeace International, 2007

24. Impulsveranstaltung Nano Energie Hanau-Wolfgang, 28.6.2007

25. Forschungsverbund Sonnenenergie „Themenheft Photovoltaik – Neue Horizonte" 2003, www.fv-sonnenenergie.de

26. Forschungsverbund Sonnenenergie „Gemeinsam forschen fiir die Energie der Zukunft", Fall 2007

27. GDCh „Potenziale der Chemie fiir mehr Energieeffizienz", Nachrichten aus der GDCh- Energieinitiative, April 2007

28. Lux Research „Nanotech's Impact on Energy and Environmental Technologies", Lux Research 2007

29. Schott „Solar – Energie fiir die Zukunft", Broschure, Schott AG Mainz, April 2006

30. Schiith, F., Felderhoff, M., Bogdanovic, B. „Komplexe Hydride als Materialien fiir die Wasserstoffspeicherung", Tatigkeitsbericht Max-Planck-Gesellschaft, 2006

31. Sommerlatte, J., Nielsch, K., Bottner, H. „Thermoelektrische Multitalente", Physik Journal 6 Nr. 5, Wiley-VCH Verlag, 2007

32. Technology Review „Energiespeicher", ' S. 59–73, August 2007 

Автор: Герман Евсеевич Кричевский,
профессор, доктор технических наук, вице-президент НОР