<<
>>

Энергетика

Становление нового технологического уклада и освоение нанотехнологий создает предпосылки для революционных изменений во многих областях энергетики. Можно выделить такие области (все их вместе иногда называют наноэнергетикой): высокоэффективные системы преобразования солнечной энергии; водородная инфраструктура и топливные элементы; системы транспортировки, аккумулирования и хранения водорода; высокояркие светоизлучающие диоды для освещения (потребляющие малое количество энергии); высокоэффективные аккумуляторы электрической энергии, суперконденсаторы, ионисторы (конденсаторы с органическим диэлектриком) и др.;

• энергоемкие материалы для использования во взрывных технологиях и в вооружениях (взрывчатке, двигателях военной техники и ракет) и др.

Солнечная энергетика. Энергия солнечного излучения, поступающего на Землю, в тысячи раз превышает потребности промышленности в энергии. Поэтому многие исследователи связывают будущее электроэнергетики с освоением солнечной энергии (рис. 3.22, А). Основным препятствием развития солнечной энергетики на основе полупроводниковых преобразователей («солнечных батарей», рис. 3.22, Б) является их высокая стоимость [3.97, 3.98]. Поэтому пока солнечные батареи являются основными источниками электроэнергии на космических аппаратах. Для масштабного использования солнечной энергии на Земле необходимо снизить ее стоимость до 0,08 - 0,09 USD/кВт-ч (в настоящее время более 0,2 USD/кВт-ч). Использование наноматериалов и нанотехнологий позволяет многократно поднять эффективность солнечной энергетики на основе использования наноструктурных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Самый многообещающий путь повышения эффективности солнечных батарей - использование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и родственных ему соединений группы А3В5 (наногетероструктуры Ge/GaAs/GaInP/AlInP).

Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в 1969 г. [3.84]. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетероструктурных солнечных батарей, установленных на ряде космических аппаратов, в том числе на орбитальной станции «Мир».

Разработанные в последние годы каскадные солнечные элементы обеспечивают повышенное значение КПД (в условиях космоса - до 33 %, тогда как у кремниевых батарей КПД - 15 %) и увеличение удельного энергосъема с солнечных батарей до 300 Вт/м2 (поток солнечной энергии около 1400 Вт/м2); улучшение радиационной стойкости (срок эксплуатации таких батарей - 10 - 15 лет на орбите); возможность работы при высокой концентрированности солнечного излучения. Благодаря этим параметрам можно ставить на орбите солнечные батареи площадью не 100 кв. метров, а менее 50 м2 при одинаковой электрической мощности.

КПД «наземных» каскадных солнечных элементов, созданных как в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, так и в других исследовательских центрах, достигает значений 40 % при концентрированной засветке. При степени концентрирования излучения 100 - 1000 крат площадь солнечных элементов, необходимая для выработки эквивалентной электрической мощности, пропорционально уменьшается, что позволяет снизить расход полупроводниковых материалов пропорционально степени концентрации и обеспечить существенное снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями с концентраторами. В ФТИ разработаны высокоэффективные концентраторы - линзы Френеля, выполненные из композиции «силикон-стекло», обладающие высокой устойчивостью к воздействию ультрафиолетового облучения и хорошими термическими и механическими свойствами. С такими концентраторными солнечными батареями стоимость получаемой электроэнергии может быть уменьшена более, чем в 2 раза, а удельный энергосъем может быть увеличен более чем в 3 раза. При сроке службы таких фотопреобразователей 25 лет стоимость солнечной энергии будет составлять 0,07 - 0,08 USD/кВт-ч, что соизмеримо со стоимостью кВт-часа электроэнергии, вырабатываемой атомными электростанциями (менее 0,1 USD/кВт/ч).

Объем производства (в основном в США) гетероструктурных космических батарей превышает 1 тыс. м2/год. В России выпуск гетероструктурных батарей прекращен из-за отсутствия в стране современного технологического оборудования и недостаточного финансирования разработок перспективных их типов. Организация в России производства гетероструктурных солнечных элементов и батарей позволит существенно увеличить энерговооруженность отечественных космических аппаратов, что будет способствовать укреплению обороноспособности страны и принесет значительный технико-экономический эффект, поскольку обеспечит автономное электропитание наземных изделий специальной техники и других потребителей, лишенных централизованного энергоснабжения. При этом потребности в наземных солнечных энергоустановках практически не ограничены. К числу основных потребителей солнечных элементов относятся Российское авиационно-космическое агентство, Минэнерго РФ, Космические войска и РВСН МО РФ. В 2009 г. «Роснанотех» и научно-производственное предприятие «Квант» запустили научный проект: производство солнечных батарей для космических спутников и орбитальных станций на основе арсенида галлия. Благодаря этому проекту появится полный цикл производства новых солнечных батарей, созданных на основе наногетероструктур, которые состоят из большого количества каскадных элементов - до 30 чередующихся слоев, каждый из которых имеет толщину всего 10 - 15 нм (http://www.nanonewsnet.ru/news/20091.

Не менее важной является задача создания на органических наноматериалах эффективных дешевых преобразователей солнечного излучения в виде гибких тонких панелей, покрывающих стены помещений, крышу и т.д. Дешевизна материалов и технологии может сделать солнечную энергетику рентабельной уже при коэффициенте преобразования солнечной энергии 5 - 7 %.

Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, создала японская электротехническая компания Sharp [http://old.nanonewsnet.ru]. Батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 мкм - то есть от одной до трех тысячных миллиметра.

Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Компания собирается начать промышленное производство новики уже в этом году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 Ватт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Ученые из Национальной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory - INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании Micro Continuum и университета Миссури (University of Missouri) создали уникальный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50 [http://www.nanometer.ru/2008]. Работа батареи основана на использовании решётки из наноантенн, отпечатанных на тонкой и гибкой подложке. Падение ИК-лучей на такую спираль наноантенны наводит в ней напряжение, то есть получение тока происходит не от света за счёт фотоэффекта (как в обычных солнечных батареях), а по принципу металлической антенны, улавливающей электромагнитное излучение, каковым и является солнечное излучение. По предварительным расчетам КПД такой солнечной батареи составляет 36 %. Но главная особенность батареи в том, что она может выдавать ток даже ночью, утилизируя ИК-лучи, которые испускает ночью Земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

В 2006 г. ученые Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединённого института ядерных исследований (Дубна) представили сенсационную разработку - «звездную батарею». В основе технологии создания батареи лежит гетероэлектрик - новое вещество на основе наночастиц золота и серебра. Особенность этого материала в том, что он «загоняет» состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает общий КПД батареи. Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ), преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости при малом объеме, который полученную энергию накапливает.

Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали «звездной батареей».

У продемонстрированного отечественными учёными фотоэлемента эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию - 54 %, инфракрасного света в электроэнергию - 31 %, что значительно превышает существующие мировые показатели (около 42 %). Кроме того, фотоэлемент имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у существующих аналогов.

В мае 2009 г. появилось сообщение о том, что Наблюдательный совет Российской корпорации нанотехнологий одобрил участие Корпорации в проекте по производству солнечных модулей на базе технологии «тонких пленок» - тонкопленочных фотоэлементов на основе микроморфного кремния, разработанных мировым лидером рынка солнечной энергетики - Швейцарской компанией Oerlikon Solar (rusnano.com/Rubric.aspx?Page=0amp;RubricId=262). Речь идет о создании крупнейшего в России производства солнечных батарей и самых значительных инвестициях в альтернативную энергетику на территории России. В рамках проекта запланировано создание предприятия полного цикла по производству солнечных модулей на территории промышленной площадки ОАО «Химпром», г. Но- вочебоксарск Чувашской Республик и, проектной мощностью один миллион солнечных модулей в год, что соответствует 120 МВт/год. Основными участниками проекта выступают РОСНАНО и Группа компаний «Ренова» в сотрудничестве с Физико-техническими институтом им. Иоффе РАН. Общий объем финансирования проекта составит более 20 млрд рублей. Выход на проектную мощность ожидается в конце 2011 г. В 2015 г. выручка проектной компании составит более 10 млрд руб. В долгосрочной перспективе до 15 % производимых солнечных модулей планируется направлять на российский рынок.

Рынок солнечной энергетики бурно развивался в последние годы. По данным исследовательской компании Lux Research (США), общий размер рынка достиг в 2008 г.

33 млрд долл., или около 5 ГВт. С 2001 года, рынок в денежном выражении увеличился более чем в 11 раз. Рынок кремниевых тонкопленочных солнечных модулей в 2008 году оценивается в 0,6 ГВт, но к 2012 г. он увеличится до 2,4 ГВт, в денежном выражении - с 3,8 до 8,6 млрд долл.

Наноэнергетика. К наноэнергетике (в более узком понимании) относят область знаний, исследующую закономерности управления потоком энергии в пределах и между молекулами. К наноэнергетике относят аккумуляторы механической энергии и демпфирующие устройства нового поколения на основе наносистем «несмачивающая жидкость - нанопористое тело»; автономные электрохимические источники питания, включая топливные элементы, а также энергоемкие материалы, используемые в вооружениях - взрывчатке, двигателях военной техники и ракет. Наноэнергетика характеризуется как возникающая (emerging) область нанотехнологии, имеющая важное государственное значение [3.99].

Важными характеристиками энергоемких наноматериалов являются скорость высвобождения энергии, время хранения и безопасность по отношению к непреднамеренной инициации. Традиционные технологии, основанные на использовании химии водорода, углерода, азота и кислорода близки к достижению потолка этих свойств. Нанотехнологии позволяют улучшить чувствительность, стабильность и механические свойства таких веществ. Функциональные углеродные нанотрубки вводят в матрицы взрывчатого вещества для увеличения области инициации в разрабатываемых плазменных инициаторах, повышения эффективности, безопасности и механических свойств ВВ за счет использования как оптических, так и электрических свойств нанотрубок. В частности, высокая электронная плотность и проводимость, характерные для нанотрубок, могут вести к более робастной и надежной инициации (робастность означает малое изменение выхода замкнутой системы управления при малом изменении параметров объекта управления). Метастабильные межмолекулярные композиты (MIC) - это смеси нанопорошков реагентов с высоким экзотермическим поведением. Фундаментальное отличие от традиционных веществ состоит в том, что реакционность связана с межмолекулярными, а не внутримолекулярными свойствами. Типичный размер наночастиц составляет 30 нанометров. Важным свойством композитов является возможность изменения скорости высвобождения энергии путем изменения размеров наночастиц. Наибольшее внимание привлекают сейчас такие композиты как Al/MoO3, Al/тефлон, Al/CuO. Так, в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL, США) алюминиевая нанопудра получается методом динамической газовой конденсации (в работе [3.99] Россия приводится в качестве примера страны, где имеется такая коммерческая технология - ALEX).

В МИФИ ведется поиск новых энергоносителей на основе метастабильных нанокластеров и полимерных форм и состоящих из элементов, не образующих в обычных условиях конденсированных веществ, - азота, гелия. Такие нановещества способны запасать энергию от 3 до 50 раз больше, чем известные «химические» энергоносители, а также полностью выделять запасенную энергию за короткие времена (без присутствия окислителя, как в обычной взрывчатке). Предсказана возможность существования ансамблей из кластеров N8 (так называемых «лодок»), т.е. конденсированной фазы, собранной из «кирпичиков» - кластеров N8. Это новое нановещество должно быть устойчивым при нормальном давлении и нагреве до = 800 К. Показано, что для метастабильных спин- поляризованных кластеров гелия Не4 выигрыш по удельной массовой энергоемкости может достигать 50.

Поиск новых электрохимических систем, конструкционных материалов и конструкций для них стимулировал исследования в области ионики наногетерогенных структур. Разработка новых технологий для беспроводных наноприборов имеет исключительно важное значение для систем, работающих в реальном времени и выполняющих функции имплантируемого биосчитывания, биомедицинского мониторинга и биообнаружения. Это так называемые наногенераторы и нанопьезотроника [3.100].

В высшей степени желательно для беспроводных приборов, в особенности в случае имплантируемых биомедицинских приборов, чтобы они работали с самообеспечением питания, то есть без использования батареи. Поэтому большое значение приобретают исследования преобразования механической энергии (например, движение тела, мускульных усилий), вибрационной энергии (аку- стические/ультразвуковые волны), гидравлической энергии (жидкость тела, поток крови) в электрическую энергию, которую можно использовать для питания наноприборов. Недавно был разработан наногенератор постоянного тока, возбуждаемый ультразвуковыми волнами. Это представляет собой существенный шаг в реализации наногенераторов на основе пьезоэлектрики.

Механизм работы электрического генератора основан на уникальной связи пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств окиси цинка ZnO, а также выпрямительной функции барьера Шоттки, образованного между металлическим наконечником и нанопроволокой. На базе этого принципа были изготовлены: пьезоэлектрические полевые транзисторы, диоды, датчики и резонаторы. Все указанные компоненты являются фундаментальными компонентами наноэнергетики (нанопьезотроники). Пьезотроника представляет собой область использования связанных пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств для изготовления новых и уникальных электронных приборов и компонентов.

Водородная энергетика. Водород - самый распространенный элемент во Вселенной, он входит в состав огромного количества соединений, находящихся на Земле и в Земле. Над проблемой извлечения водорода бьются ученые во многих странах, пытаясь создать процесс разложения воды с минимальным расходом энергии. А для этого требуется много энергии. Полученный водород необходимо безопасно хранить, транспортировать и использовать в химических и металлургических процессах, а также применять в качестве топлива в водородно-кислородных топливных элементах для получения электроэнергии без ограничения цикла Карно [3.97, 3.101, 3.102]. Топливные элементы - ключевое звено водородной энергетики (рис. 3.23).

В последние годы большое внимание уделяется применению наноматериалов для производства электроэнергии в топливных элементах и для хранения водорода, используемого в качестве экологически чистого топлива в топливных элементах и энергоносителя в будущей «водородной экономике» [3.97, 3.98, 3.101]. Применительно к топливным элементам наноструктурированные материалы могут использоваться с целью увеличения электрической емкости электродов, ионной проводимости и долгосрочной стабильности электролитов, а также повышения эффективности работы катализаторов электрохимических реакций на электродах. (Катализаторами химических реакций обычно называют вещества, которые существенно ускоряют ход той или иной реакции, но сами при этом не расходуются. В идеале катализаторы должны не только увеличивать скорость реакции, но и проявлять селективность, избирательность своего действия или даже способствовать образованию менее выгодного с энергетической точки зрения соединения). Задача здесь - снижение стоимости в 10 - 100 раз и низкотемпературный запуск. Примером является имеющий наноархитектуру платиновый катализатор, получаемый с использованием сольгелевой технологии. В этот наноматериал входят углеродный порошок и коллоидальные наночастицы платины размером около 2 нм. Метод соли-гели был предложен в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL, США). Соль-гелевая химия использует реакции в растворах, в которых образуются первичные наночастицы (соль), которые могут быть связаны в трехмерную твердую сеть - гель, поры в которой заполнены оставшимся веществом. Данный подход является относительно простой недорогой низкотемпературной технологией. Перспективное вещество для производства - Fe2O3, образующее с алюминиевым порошком высокоэнергетическую смесь.

Значительно уменьшить расход материалов и существенно снизить себестоимость электрохимических генераторов (топливных элементов) может наноструктурированная фольга в виде многослойных нанопленок. Фольга изготовляется вакуумным методом по рулонной ионно-плазменной технологии синтеза наноструктурированных материалов. Наноструктурированная фольга представляет собой качественно новую основу с осажденным на ее поверхности нанослоем алюминия [3.103].

В 2003 г. компания «Норильский никель» вместе с Российской академией наук объявила о запуске совместной программы «Водородная энергетика и топливные элементы» (см. «Химию и жизнь», 2004, № 1, а также [3.102]). Тогда «Норникель» выделил 120 миллионов долларов для поисковых, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в этой области. В 2003 г. Президент США Джордж Буш выдвинул две «водородные» программы, предусматривающие выделение $1,7 млрд в течение 5 лет. Ровно столько же планирует выделить Япония. Аналогичные программы стран ЕС предусматривают бюджетное финансирование в размерах более 200 млн евро в год. Одновременно исследованиями в этом направлении занимаются многие автомобильные и энергетические компании. Так, концерн Daimler Chrysler вложил в программу около $ 10 млрд. В мае 2008 г. он отправил первый в Европе автобус на водородном двигателе для испытаний муниципалитету Мадрида. До конца года концерн намеревался передать муниципальным властям крупнейших городов Евросоюза 30 подобных машин.

Наряду с электролизом воды, паровой конверсией метана и другими методами получения водорода разрабатываются масштабируемые методы расщепления молекул воды с помощью солнечного света для производства водорода. Относительно хранения получаемого водорода существуют различные точки зрения о степени поглощения водорода наноуглеродами. Водород может храниться также в наноструктурированных магниевых, титановых и других материалах. Нанотехнологии привлекаются с целью создания обратимых материалов для хранения водорода при комнатной температуре.

Электрические конденсаторы. Наноструктурированная фольга может существенно улучшить технико-экономические параметры электрических конденсаторов [3.103]. Помимо улучшения характеристик существующих алюминиевых электролитических конденсаторов с жидким электролитом наноструктурированная анодная фольга может быть использована в перспективных твердых алюминиевых конденсаторах типа OS-CON с органическим полупроводником или проводящим полимером в качестве электролита. Выпуск алюминиевых электролитических конденсаторов типа OS-

CON за последние годы стал одним из приоритетных направлений деятельности большинства ведущих мировых компаний-произ- водителей радиоэлектронных компонентов. Конденсаторы типа OS-CON обладают низким эквивалентным внутренним сопротивлением (ESR) и чрезвычайной долговечностью. По производительности один конденсатор типа OS-CON заменяет два танталовых или от 2 до 7 жидких алюминиевых конденсаторов. Использование наноструктурированной анодной фольги на основе полимерной пленки в конденсаторах типа OS-CON может существенно увеличить их удельную емкость, снизить эквивалентное внутренние сопротивление, уменьшить габариты и вес, расширить сферы их промышленного применения. Начато производство ультраконденсаторов (или конденсаторов на нанозатворах, или наноугле - родных конденсаторов), отличающихся рекордной емкостью (http://www.power-e.ru/2005_03_22.php).

Термоэлектрическая энергетика. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в так называемых термоэлектрических генераторах (рис. 3.24) [3.97, 3.98]. Наилучшими термоэлектрическими материалами для них являются полупроводники, в частности, разработанные в СССР теллуриды свинца PbTe (n- иp-типа). Величина КПД преобразования тепла в электричество всецело определяется так называемым термоэлектрическим коэффициентом ZT, равным произведению термоэлектрической добротности на среднюю температуру полупроводников. Лучшие коммерческие термоэлектрические материалы характеризовались величиной ZT lt; 1 и КПД менее 15 % [3.97]. Новый материал - тел- лурид свинца с наноприсадками таллия (Tl-doped PbTe), обладает коэффициентом на уровне ZT = 1.5, что более чем вдвое превышает показатели предыдущего «лидера» [3.104]. В последние годы появились наноструктурированные термоэлектрические материалы с коэффициентом ZT около 3, и есть надежда получить вскоре наноструктурированные материалы с ZT = 10, что позволит увеличить КПД термоэлектрических генераторов в 2 - 3 раза [3.105]. На базе наноматериалов из теллурида свинца в настоящее время разрабатывается множество термоэлектрических проектов. Например, в лаборатории NASA Langley Research Center (США) учёные работают над специальным покрытием для высотных самолётов, где

тепло солнечной энергии непосредственно преобразовывалось бы в электричество. 

<< | >>
Источник: С.Ю.Глазьев. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике. 2009

Еще по теме Энергетика:

  1. Х.З. Геоэкологические аспекты энергетики
  2. Отраслевая и территориальная структура энергетики
  3. Электроэнергетика
  4. § 19. Энергетика
  5. Лекция 43. Мировая электроэнергетика
  6. Электроэнергетика России
  7. Электроэнергетика мира
  8. § 5. Теплоэнергетика и ее воздействиена природную среду
  9. § 8. Ядерная энергетика: проблема и перспективы
  10. § 7. Водородная энергетика
  11. Экологические аспекты атомной энергетики
  12. Энергетика
  13. Энергетика