Нанотехнологии в современной энергетике и в энергетике будущего

02.09.2015

Нанотехнологии в современной энергетике и в энергетике будущего

Герман Евсеевич Кричевский,

профессор, доктор технических наук, вице-президент НОР

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.

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.

– Экономия топлива за счет наноприсадок в форме наночастиц и износостойкая нанозащита частей двигателя.

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 и 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.

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 составляла 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).

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.