Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
Генерация (получение)энергии
Наиболее перспективными направлениями ближайшего будущего в сфере преобразования и генерации энергии являются фотовольтаики (солнечные элементы), преобразование водорода (топливные элементы), термоэлектричество (термоэлектрические устройства), совершенствование углеводородной топливной энергетики (катализаторы, добавки), на первоочередное развитие которых направлена деятельность многих крупных производственных предприятий и институтов.
По данным консалтинговой компании Lux Research (США), общий размер рынка солнечной энергетики в 2008 году достиг 33,3 млрд долларов, или около 5 ГВт. Ориентировочно в пересчете на денежный эквивалент, данный рынок с 2001 года увеличился более чем в 11 раз. Сегмент кремниевых тонкопленочных солнечных модулей в 2008 году оценивался в 0,6 ГВт, но, по прогнозам экспертов, уже к 2012 году он увеличится до 2,4 ГВт, что составит в денежном выражении прирост с 3,8 млрд до 8,6 млрд долларов.
Главной сферой применения веществ, созданных на основе нанотехнологий, пока являются различного рода катализаторы и другие методы очистки, а также создание веществ с новыми свойствами для различных отраслей энергетики. Основная цель применения наноматериалов в энергетическом секторе – увеличение эффективности, надежности, безопасности и срока службы, а также снижение себестоимости.
По данным The Global Technology Revolution 2020, In-Depth Analyses от 2006
Направление исследований и практических работ по изучению и созданию оборудования для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью специальных полупроводниковых элементов – солнечных батарей, называют фотовольтаикой.
Основным устройством для генерации электрического тока при помощи солнечного излучения являются солнечные батареи (модули), которые состоят из полупроводникового диода, помещенного между двух проводящих слоев (рис. 49). Когда свет поглощается полупроводником, в нем образуют электроны и дырки (вакансии), которые перемещаются к электрическим контактам, создавая тем самым электрический ток.
В настоящее время в связи с совершенствованием методик генерации света, появлением новых типов модуляторов света (электрооптических, акустооптических и др.) и развитием полупроводниковой техники создаются устройства для использования не только видимого спектра светового излучения, но и излучения с длиной волны от ближнего ультрафиолетового (200 нм) до терагерцевого диапазона (75-150 мкм или 2–4 ТГц).
Рис. 49. Схема работы классической кремниевой солнечной батареи: 1 – чистый монокристаллический кремний; 2 – «загрязненный» кремний; 3 – аккумулятор
В идеальном случае можно использовать весь видимый спектр солнечного излучения: от близкого к инфракрасному до ультрафиолетового. Это очень актуально в районах, где мало солнечных дней. Подобные задачи решаются теоретически, однако все зависит от типа и конфигурации используемых материалов. Исследование, создание и совершенствование подходящих материалов, разработка и производство на их основе новых устройств фотовольтаики – главная задача и условие развития солнечной энергетики.
Другой немаловажной проблемой является стоимость солнечных батарей, которая пока остается достаточно высокой для их повсеместного применения, а также достаточно низкий коэффициент полезного действия (КПД). Именно нанотехнологии могут и должны в ближайшие годы решить эти проблемы.
В качестве примера хотелось бы перечислить некоторые наиболее известные мировые нанотехнологические разработки для фотовольтаики, направленные на решение указанных проблем:
• гибкие органические солнечные батареи на основе фуллеренов (С60) и гетероструктур С6о/p-Si с высокой поглощающей способностью в коротковолновой области солнечного спектра;
• солнечные батареи на основе накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нано-слоевой и кластерно-фрактальной структурой;
• органические фотоэлементы солнечных батарей на основе полимерно-фуллереновых наноструктур, в которых транспорт носителей заряда осуществляется сетью нанокристаллов и органических молекул;
• солнечные батареи на основе квантовых точек, улучшающих их КПД до 42 % (теоретически – до 86 %) за счет генерации трех электронов на один падающий фотон;
• многослойные гетероструктуры InGaAs/AlGaAs и InAs/ InGaSb с квантовыми ямами и гетероструктуры Ge/Si с квантовыми точками для промышленной технологии производства фотоприемных модулей ИК-диапазона;
• мультикаскадные наногетероструктурные фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии каскадного типа с КПД до 35 % при 1000-кратном концентрировании наземного солнечного излучения (в два раза дешевле существующих преобразователей) для создания концентраторных солнечных энергоустановок в районах без централизованного электроснабжения;
• солнечные батареи на основе керамических наноматериалов из слоев диоксидов титана и кремния толщиной от 50 до 100 нм каждый, на треть повышающие выработку электроэнергии без увеличения площади солнечных элементов;
• дешевые солнечные батареи из металлических наноматериалов (Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe), их оксидов и гидроксидов, использующие физические явления;
• трехмерные солнечные элементы на основе углеродных нанотрубок, повышающие коэффициент поглощения солнечной энергии кремниевыми солнечными батареями с нынешних 67,4 до 96,21 %;
• солнечные батареи из решеток наноантенн диаметром 2–4 мкм, преобразующие в электричество 92 % световой энергии (прототипы поглощали до 80 %); работают ночью за счет утилизации ИК-диапазона (тепла Земли, электронных и других источников);
• солнечные батареи из поликристаллического кремния (c-Si) – используются высокочистые кремнийсодержащие материалы для наноуровневого производства устройств фотоэлектрического преобразования солнечного излучения (фотоэлементов) и микроэлектроники;
• солнечные элементы, созданные на основе аморфного кремния (a-Si), позволяющие уменьшить толщину солнечных батарей при повышении эффективности более 10 %;
• обладающие необходимой механической прочностью аэрогели для солнечных коллекторов из объединенных в кластеры наночастиц (до 5 нм) и с полостями (до 100 нм), занимающими до 99 % объема;
• солнечные источники энергии с потенциалом недорогого производства на основе наноструктурированных солнечных элементов, сенсибилизированные специальным поглощающим красителем.
При поддержке «РОСНАНО» в Усольске-Сибирском Иркутской области на базе отечественного предприятия НИТОЛ строится комплекс по производству поликристаллического кремния (на основе которого в настоящее время производится до 90 % всех солнечных элементов в мире) и моносилана (бесцветного газа, служащего для производства ЖК-дисплеев и тонкопленочных солнечных модулей).
Старт основного производства состоялся в 2009 году. При этом мощность проекта по производству поликремния должна составить 3800 т в год, а по моносилану – 200 т в год. Общий бюджет проекта оценивается в 18,9 млрд рублей.
Некоторым политикам и ряду ученых хотелось бы не замечать эти и другие практические достижения отечественных и мировых ученых и практиков, но факты говорят сами за себя – подобные примеры практического применения нанотехнологий можно привести по многим другим отраслям промышленности.
В некоторых случаях солнечные батареи являются основным источником энергии (например, в космической технике). В других случаях они уже конкурентоспособны по отношению к углеводородным материалам (например, в локальном энергообеспечении удаленных местностей, особенно в экологически чистых районах).
По мнению ученых и экспертов, наиболее перспективное снижение себестоимости солнечных элементов ожидается со стороны высокочувствительных красок (покрытий) для солнечных элементов и солнечных элементов на основе органических полимеров.
По сообщениям СМИ, в конце мая 2009 года ГК «РОСНАНО» и «Ренова Оргсинтез» подписали инвестиционное соглашение о создании в России совместного предприятия Nano Solar Technology Ltd по производству солнечных модулей. В рамках проекта планируется строительство предприятия полного цикла производства солнечных модулей на территории промышленной площадки ОАО «Химпром» в городе Новочебоксарске (Чувашия). Полная стоимость проекта оценивается в 440 млн евро.
Для запуска производства был заключен контракт со швейцарской фирмой Oerlikon на поставку линии для производства солнечных модулей по технологии тонких пленок Micromorph. Объем выпускаемой продукции в 2011 году при выходе производства на проектную мощность должен составить 120 МВт (1 млн солнечных модулей) в год.
К сожалению, 85 % производимых солнечных модулей планируется продавать в Европе и только 15 % (в долгосрочной перспективе) направлять на отечественный рынок.
Конечно, солнечная энергия может использоваться и в термоэлектрических устройствах для обыкновенного нагрева воды и обогрева домов и офисов – наноструктурированные материалы смогут увеличить эффективность подобных устройств и систем.
Другой немаловажной задачей исследований в области генерации энергии являются топливные элементы. В настоящее время топливные элементы пока находятся на этапе разработки опытных образцов (прототипов). Однако их применение в наше время еще в большей степени ограничено высокой ценой.
Японская корпорация Honda разработала полупроводниковый катализатор воды на основе наночастиц углерода, позволяющий под воздействием солнечного облучения достаточно эффективно разлагать воду на кислород и водород. При этом используется не только видимый свет, но и более широкий спектр излучения. По данным Brookhaven National Laboratory, это позволит увеличить эффективность разложения воды до 8 %, что вплотную приближается к пороговому значению в 10 %, установленному Министерством энергетики США для возможности рентабельного коммерческого использования.
Исследования применения различных видов топливных элементов указывают на их более высокую эффективность по сравнению с электрическими аккумуляторными батареями, даже несмотря на низкий коэффициент преобразования вещества (носителя) в конечное топливо.
В Ирландии при участии компании More Energy (Израиль) и Института теплотехники Сибирского отделения (СО) РАН запущено массовое производство топливных элементов с мощностью 1,3 Вт. В перспективе планируется выпуск до 1,5 млн изделий в месяц. В СО РАН разработан лабораторный образец топливного элемента на основе алюминия, а также ведутся исследования по использованию нанопокрытий палладия и платины на каталитических компонентах и мембранных системах.
С учетом относительной небезопасности водородной энергетики, перспективными являются портативные топливные элементы на жидком топливе – растворах боргидридов. Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.
Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов (Solomon Labinov) предложил концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. Когда порошок полностью расходуется, топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.По мнению Дэвида Бича (David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа в штате Теннесси (США), металлическое топливо, как и водород, – это источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Его можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.
Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии.
Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В то же время этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.
Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе, или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночастицы можно было получать по разумной стоимости.
Главная проблема двигателя на металлическом топливе – достаточно большой вес топлива, даже с учетом его энергетической емкости. Например, объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля эквивалентно 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.
Бор и углерод – соседи по таблице Менделеева, оба элемента – неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов невелики. Главное следствие этого сходства – быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия – это химия углеводородов и их производных.
Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг, или 14170 ккал/кг) почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг, или 7870 ккал/кг). Заменив углеводородные виды топлива бороводородными в воздушно-реактивных двигателях, при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.
В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50 % бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.
Тем не менее уже имеющиеся научные достижения, основанные на нанотехнологиях в производстве высокоэффективных мембран, катализаторов и электродов, помогут снизить себестоимость топливных элементов, а также повысить их КПД. Наиболее востребованным рынком для топливных элементов может стать аэрокосмическая отрасль, автомобильная промышленность и агропромышленный комплекс.