На главную

Энергосбережение и энергосберегающие технологии в Беларуси, СНГ, России, в мире. Экономия электроэнергии. Энергоэффективность.  

«     2011     2010  |   2009  |   2008  |

01.10.2008 Энергосбережение. Нанотехнологии: сегодня и завтра

 

Нанотехнологии: сегодня и завтра

 

Основные составляющие надвигающегося глобального кризиса – финансовая, продовольственная, энергетическая и экологическая – главные мировые темы. Ведущие эксперты в один голос признают, что основным является именно энергетический кризис.

В основе потенциального мирового энергетического кризиса лежат две главных причины: истощение имеющихся в распоряжении человечества нефтегазовых ресурсов и наращивание, прежде всего развивающимися странами, уровня их потребления. Бурный рост мировой экономики последних десятилетий спровоцировал масштабное увеличение мирового энергопотребления. По расчетам экспертов, за последние 30 лет оно удвоилось и ежегодно составляет не менее 10 млрд т в нефтяном эквиваленте, а при нынешних темпах развития на рубеже 2050 г. этот показатель составит 30 млрд т.

 

Желание крупнейших стран-потребителей, а с недавних пор и крупнейших производителей углеводородных ресурсов найти альтернативу дорожающей и истощающейся нефти и газу вполне объяснимо. Однако планы по хотя бы частичному снижению потребления углеводородного сырья в мировом энергетическом балансе требуют колоссальных инвестиций.

Так, исполнительный директор МЭА Нобуо Танака в своем докладе накануне майской встречи министров энергетики стран «Большой Восьмерки» в Японии отметил, что «мир нуждается в 45 трлн долл. инвестиций, чтобы к 2050 г. сократить выброс углекислого газа в атмосферу в два раза. В противном случае к середине столетия загрязнение атмосферы СО2 вырастет на 130 %, а спрос на нефть увеличится на 70 %».

Сегодня во всем мире наряду с развитием ядерной и альтернативной энергетики большое внимание уделяется таким новым направлениям, как водородная энергетика и нанотехнологии.

 

Водород

 

Наиболее громкие и масштабные планы освоения водородной энергетики и перехода на водородную экономику были озвучены администрацией Дж. Буша. В докладе двухлетней давности содержатся обещания потратить 1,7 млрд долл. в течение 5 лет и выдать 4 млрд долл. в виде налоговых льгот на исследования по выработке и использованию водородного топлива. По планам Министерства энергетики США, в стране уже к 2015 г. должна быть сформирована сеть электростанций FutureGen, которые буду производить водород, а разветвленная система водородопроводов будет обеспечивать бесперебойное снабжение потребителей экологически чистой энергией.

Однако практики при наличии безусловных преимуществ – экологической чистоты и высокого КПД – указывают на ряд существенных недостатков водородных технологий.

Во-первых, технологии добычи водорода с помощью ядерной энергии в настоящее время экономически неэффективны и нуждаются в значительном усовершенствовании. Во-вторых, теоретически водород можно добывать, используя энергию из любого источника. Однако самым доступным первичным сырьем на сегодня является каменный уголь. Следовательно, встает вопрос об организации дорогостоящих работ по захоронению (секвестрации) побочного углекислого газа. Проще уголь просто сжигать на электростанциях.

В-третьих, эксперименты показали, что сжиженный водород, используемый сегодня в ряде экспериментальных автомобилей, испаряется со скоростью 1,7 % в день.

 

Нанотехнологии сегодня

 

Некоторые специалисты предполагают, что начавшаяся нанотехнологическая революция находится в одном ряду с такими революционными изменениями в человеческом обществе, как изобретение паровой машины и промышленное освоение электрической энергии. Иными словами, нанотехнологии в состоянии перевернуть экономический уклад мира в целом. Не потому ли все ведущие державы наращивают в геометрической прогрессии финансирование исследований в данной области, причем как в государственном секторе, так и в частном.

В настоящее время вклад «нано» в ТЭК скромен, хотя уже имеет значительные перспективы.

Нефтедобыча. В середине текущего года Азербайджан заявил, что ГНКАР переходит от экспериментального к эксплуатационному применению собственной нанотехнологии для повышения добычи нефти и газа на обводненных месторождениях поздней стадии разработки.

«До 60 % наших скважин обводнены. Применение нашей нанотехнологии позволяет в 1,5–2 раза увеличивать добычу, снижать энергоемкость до 25–30 %. При этом сокращается объем воды в добываемой жидкости. В итоге на 1 манат вложений получается до 20 манатов дохода. Технология рассчитана на применение особых наноструктур, которые с помощью специального состава подаются в межтрубное пространство и непосредственно в саму скважину. Вступая в реакцию со средой, состав создает углекислый газ, что дает дополнительную энергию для выхода углеводородов, происходит размягчение структуры и растет нефтеотдача пласта», – описывают метод специалисты ГНКАР.

Химия и материаловедение. Речь идет о катализаторах, снижающих энергопотребление химических заводов и улучшающих процессы горения в автомобильных двигателях (снижая, таким образом, выбросы загрязняющих веществ). Нанокатализаторы могли бы еще в большей степени предотвращать потери и повышать эффективность многих технологических процессов в нефтепереработке. Общеизвестно, что почти 20 % сырой нефти остаются недоработанными по причине несовершенной технологии очистки. Ведутся работы по созданию специальных керамических цилиндров, пронизанных нанопорами. Если пропустить сырую нефть через такой катализатор, то ни одна молекулярная цепочка не уйдет от очистки, а эффективность крекинга достигнет почти 100 %.

Также нефтяниками востребованы высокопрочные (и менее ломкие) буровые коронки, сверла и режущие инструменты, «интеллектуальные» магнитные жидкости для создания вакуумных уплотнителей и смазочных материалов.

Энергосбережение на транспорте. Общеизвестно, что на долю транспорта приходится более 60 % мирового потребления нефти. Национальная академия наук США еще в 2002 г. опубликовала свое исследование по экономии транспортного топлива, в котором показала, что снижение веса транспортных средств всего на 20 % ведет к снижению расхода топлива на единицу пробега до 50 %.

Именно применение наноструктурированных композитных материалов позволит инженерам значительно уменьшить вес транспортных средств без потери прочности и ущерба для безопасности пассажиров.

Так, американская транспортная компания AirTrain недавно установила в своих самолетах 737–700 серий пассажирские сидения из материалов на основе углеродного волокна, вес которых составляет всего 19,4 фунта. При этом было подсчитано, что на каждом самолете экономия горючего составила более 2 000 долл. в год. Компания Boeing подсчитала, что будущая экономия веса при использовании композитных материалов на углеродном волокне, устанавливаемых компанией на новых самолетах 787-й серии, для авиаперевозчиков увеличит эффективность использования авиакеросина на 20 %.

Экология. По оценкам специалистов, только с начала XXI века в океан вылито около 200 тыс. т нефти и нефтепродуктов. Это не только прямые потери энергоресурсов, но и серьезный ущерб окружающей среде.

Используя нановолокна, ученые собрали из них «губку», способную избирательно впитывать гидрофобные жидкости. Тончайшие мембраны, построенные из сети нановолокон, могут стать весьма эффективным инструментом для очистки океанов от нефтяных загрязнений. Они свободно пропускают воду, но поглощают масла в 20 раз больше собственного веса.

Эта избирательность материала совершенно удивительна. Его можно поместить в чистую воду на месяц-другой и он останется полностью сухим. Но если в воде содержится хоть какое-то количество гидрофобных примесей (например, углеводородов или масел), они будут моментально поглощены.

Наногубка не просто впитывает загрязнения, но и позволяет впоследствии восстановить нефтепродукты и использовать их по прямому назначению.

 

Нанотехнологии в перспективе

 

Революционные разработки в нанотехнологиях могут найти широкое применение в мировой системе производства и хранения энергии (см. «Перспективы нанотехнологий»).

Решение всех вышеперечисленных проблем может занять многие годы, но уже сейчас многие государственные и частные научно-исследовательские институты разрабатывают ряд направлений, ориентированных на практическое применение нанотехнологий в энергетике. Так, известный исследовательский центр BellLabs изучает возможности производства микроаккумуляторов, которые смогут служить до 20 и более лет с момента продажи.

Эти свойства новых аккумуляторов основаны на замедлении химических реакций, которые приводят к выходу аккумулятора из строя.

В аккумуляторах, разрабатываемых BellLabs, жидкие капли электролита покоятся на поверхности специальных микроскопических структур, названных разработчиками «нанодерном», пока не происходит стимуляции миграции этих капель, что служит триггером для начала выработки электрического тока.

Другие исследовательские коллективы намерены разработать технологии, позволяющие вообще отказаться от использования аккумуляторов, а вместо них применять ультраконденсаторы, изготовленные с использованием нанотрубок. Предполагается, что последние будут настолько емкими, что уже сейчас могут быть источником энергии для гибридного бензиново-электрического автомобиля. При сравнении с аккумуляторами, ультраконденсаторы запасают гораздо больше энергии на килограмм собственного веса. Кроме того, зарядка конденсаторов может проводиться за несколько секунд, тогда как аккумуляторам для подзарядки обычно требуются часы времени.

Еще одной областью, на развитие которой нанотехнологии уже оказывают существенное влияние, является создание фотоэлектрических элементов. Только в США вновь созданы три компании, специализирующиеся на производстве солнечных элементов с элементами нанотехнологий (Nanosolar, Nanosys и Konarka Technologies). Кроме того, этому вопросу уделяют внимание такие крупные игроки на рынке, как компания Matsushita и STMicroelectronics.

Компания Nanosolar разработала материал, в основе которого лежат жидкие нанопроводники из оксидов металлов. Будучи впрыснутыми в пластиковый субстрат в жидкой форме, эти нанопроводники самоорганизуются в фотоэлектрическую пленку.

Если нанотехнологические, улавливающие солнечный свет материалы найдут широкое применение и смогут использоваться, например, в составе зданий и сооружений, то это может привести к радикальному изменению всей структуры производства энергии. Такие материалы, будучи нанесенными на крыши автобусов или грузовиков, могут расщеплять воду посредством электролиза и вырабатывать водород для электробатарей.

 

Россия и нанотехнологическое неравенство

 

В 2006 г. Россия поставила инновационной продукции на сумму 3,9 млрд долл., США – на 690 млрд долл., Япония – на 680 млрд долл., Китай – на 138 млрд. Но доля наукоемкой продукции в ВВП России оценивается всего лишь в 0,3 % (в США – 20 %, в Китае – 30 %), а большую часть – свыше 67 % – дает сырьевой сектор.

В этой связи весьма своевременной следует признать одобренную руководством страны Стратегию развития наноиндустрии, которая определила перспективные задачи и скоординировала усилия научных и финансовых институтов России для создания национальной нанотехнологической сети. В этих работах в стране участвуют более 500 научно-исследовательских институтов и организаций, объединяющих свыше 30 тыс. исследователей, производится и реализуется на рынке продукция нанотехнологий в объеме 2,5–4 млрд росс. руб. в год. В рамках программы будет выделен рекордный государственный бюджет на фундаментальные исследования, построение национальной нанотехнологической сети и коммерциализацию технологий.

Будем надеяться, что сформированный за советские годы и сохранившийся до настоящего времени научный потенциал и целенаправленная инвестиционная политика государства в сфере нанотехнологий позволят России успешно преодолеть глобальный энергетический и прочие мировые кризисы и, наконец, перейти от «сырьевой модели» к «экономике знаний».

 

Дмитрий МУН, помощник директора РНЦ «Курчатовский институт»
(журнал «Нефтегазовая вертикаль», № 14, 2008 г.)

Печатается с сокращениями

 

Перспективы нанотехнологий

 

• Более чем 10-кратное снижение стоимости фотоэлементов для солнечных батарей.

• Освоение коммерчески выгодных процессов фотокаталитической конверсии СО2 в метанол.

• Создание экономически выгодных процессов прямого фотолиза воды с получением свободного водорода.

• 10–100-кратное снижение стоимости топливных элементов.

• Улучшение эффективности и 10–100-кратное увеличение емкости аккумуляторов и суперконденсаторов, что может оказать огромный толчок в разработке электромобилей.

• Создание новых легких материалов для хранилищ водорода высокого давления и сосудов для жидкого водорода, создание эффективных систем обратимой хемосорбции водорода.

• Разработка силовых кабелей, сверхпроводящих или квантовых проводников, выполненных из наноматериалов, для постепенной замены медных и алюминиевых проводов. Такие провода могут значительно снизить потери электроэнергии при ее транспортировке на большие расстояния за счет снижения теплового рассеивания и потерь, связанных с электрической сопротивляемостью материалов.

• Развитие термохимических процессов катализа для производства водорода из воды при температурах ниже 900 С.

• Создание высокопрочных легких материалов, которые могут повысить энерговооруженность автомобилей, самолетов и космических аппаратов, что может впоследствии в сочетании с достижениями наноэлектроники позволить создавать солнечные электростанции на земной орбите или на поверхности Луны.

• Создание эффективных источников света, которые смогут заменить лампы накаливания и флуоресцентные лампы.

• Разработка нанопокрытий режущих коронок, которые позволят проводить сверхглубокое бурение при относительно невысоких затратах.

• Создание методов безотходной минерализации СО2, которые позволят проводить этот процесс в широких масштабах.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком