Нанотехнологии способны обеспечить ряд возможностей для использования возобновляемых источников энергии и внести существенный вклад в производство и сбережение энергии.
Повышение эффективности использования ресурсов планеты и их сбережение посредством нанотехнологий включают в себя:
- Использование возобновляемых источников (солнечные батареи, термоэлектрические приборы, топливные элементы).
- Хранение энергии (перезаряжаемые батареи и суперконденсаторы, водородные баки).
- Уменьшение потребления материалов (например, создание более легких и/или прочных конструкционных материалов или увеличение их активности).
- Использование альтернативных (более распространенных) материалов (например, замена редкоземельных элементов на наноструктурированные оксиды металлов при катализе).
Наиболее развитыми нанотехнологическими проектами в сфере энергетики являются: хранение, преобразование, улучшения в производстве (уменьшение потребления материалов, а также длительности процессов), энергосбережение (например, за счет разработки новых методов термоизоляции), использование возобновляемых источников энергии. Среди различных подходов, используемых для решения этих проблем, стоит упомянуть новые материалы, используемые в аккумуляторах, топливных элементах и солнечных батареях, в качестве катализаторов, а также прочные легкие конструкционные элементы (табл. 1).
Таблица 1. Применение нанотехнологий в сфере энергетики
Основные области применения нанотехнологий и коммерческие перспективы к 2015 году
Мировой рынок продуктов нанотехнологий в энергетике составлял в 2007 г. порядка 200 млн долларов США. Фотовольтаики с нанопокрытиями, а также аэрогели уже вышли на стадию коммерциализации, однако в ближайшие несколько лет вряд ли внесут существенный вклад в рынок материалов из-за ряда технических проблем, нерешенной задачи апскейлинга и высокой себестоимости. Увеличение стоимости энергии, выработка традиционных источников энергии и законодательство требуют, чтобы и циклы жизни продуктов, и процессы их производства не оказывали заметного влияния на окружающую среду. Таким образом, можно говорить о наличии фундаментальной задачи использования более экологичных наноструктурированных и "умных" материалов. В табл. 2 показаны стадии развития и внедрения продуктов нанотехнологий в сфере энергетики.
Таблица 2. Стадии развития и внедрения продуктов нанотехнологий в сфере энергетики
Согласно прогнозам, к 2015 г. материалы и процессы на основе нанотехнологий будут оцениваться в 4.92 млрд долларов США (рис. 1). Проникновение нанотехнологий в сферу энергетики достигнет к этому времени уровня 36.3 %. На рис. 2 показано распределение доходов от введения нанотехнологий по секторам сферы энергетики.
Рис. 1. Ожидаемые доходы от введения нанотехнологий на рынок в сфере энергетики. Консервативная оценка, млн долл. США
Рис. 2. Мировой рынок нанотехнологий в сфере энергетики в 2015 г. Ожидаемое распределение доходов по секторам отрасли
Наибольшая доля приходится на накопление энергии и преобразование энергии солнечного излучения. Ожидается, что к 2015 г. 36.3 % продуктов, связанных с энергетикой, будут содержать в себе в той или иной форме результаты применения нанотехнологий. Изготовленная с применением нанотехнологий продукция, например топливные элементы и аккумуляторы, станет играть существенную роль на рынке уже в 2010 году. Вероятнее всего, с 2010 г., когда рынок нанотехнологий в энергетическом секторе составит 1.3 млрд долларов, следует ожидать значительного роста доходов в дальнейшем.
На рис. 3 представлен прогнозируемый спрос на наноматериалы в сфере энергетики в 2015 г.
Рис. 3. Мировой рынок нанотехнологий в сфере энергетики в 2015 г. Ожидаемое распределение испосльзования наноматериалов
Топливные элементы и батареи
Наноструктурированные материалы, в т.ч. катализаторы на основе наночастиц, играют важную роль в развитии технологии производства топливных элементов. В топливных элементах обычно используются катализаторы, состоящие из металлических наночастиц размером 1–5 нм в углеродной матрице. Наиболее перспективные элементы – наномарганец, наноаланат марганца и нанотитан1.
Существенный недостаток твердооксидных топливных элементов (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) – высокая рабочая температура. Для современных твердооксидных элементов она составляет около 1000 °С. Сплавы, которые можно использовать при таких условиях, стоят весьма дорого. Высокая температура необходима прежде всего потому, что при более низких температурах проводимость обычных материалов и скорость катодных реакций невелики. Оказалось, что наноструктурированные материалы, предназначенные для использования в топливных элементах, имеют хорошую проводимость как ионов, так и электронов и при существенно более низких температурах2.
В топливных элементах на основе полимерэлектролитной мембраны (Polymer Electrolyte Membrane, PEM) используется платина. Она дорога, а также чувствительна к уровню окиси углерода. Таким образом, существует возможность введения нанотехнологий, заменяющих определенные материалы новыми, более эффективными по соотношению цена-качество соединениями. Даже в твердооксидных элементах в качестве материала анода используется никель, который портится при контакте с серой в системе.
Нанотехнологии способны заменить никель на нечувствительный к сере материал. Компания "3М" объявила об увеличении времени жизни катализаторов в полимерэлектролитных мембранах, произведенных с использованием наноструктурированных тонких пленок.
На рис. 4 показан оптимистический прогноз проникновения на рынок солнечных батарей, топливных элементов и термоизоляции.
Рис. 4 Оптимистический прогноз проникновения на рынок солнечных батарей, топливных элементов и термоизоляции
Уникальные свойства наноматериалов используются и для решения других задач по улучшению работы батарей и аккумуляторов. Например, углеродные нанотрубки позволяют запасать большее количество энергии по сравнению с традиционными графитными электродами. Так, электроды на основе монослойных углеродных нанотрубок увеличивают производительность как аккумуляторов, так и топливных элементов.
Одна из возможностей повышения производительности аккумуляторов с помощью нанотехнологий – использование уникальных физических свойств материала, появляющихся при условии его наноструктурирования. Например, Сю и его соавторы продемонстрировали различное поведение материалов электродов в наномасштабе, показав, что обнаруженные явления могут расширить их выбор для аккумуляторов и топливных элементов, включая более дешевые и экологически чистые материалы. Компания Toshiba использует наночастицы для уменьшения редукции жидкого органического электролита при перезарядке литий-ионных батарей.
На рис. 5 представлены ожидаемые доходы от вывода на рынок топливных элементов и батарей.
Рис. 5 Ожидаемые доходы от вывода на рынок топливных элементов и батарей. Консервативная оценка, млн. долларов США