NBICS-технологии в энергетике.

(отрывок из главы «NBICS-технологии в энергетике» книги профессора Кричевского «NBICS-технологии для Мира и Войны»)

По вопросам приобретения полного текста главы «NBICS-технологии в энергетике» обращаться к автору – профессору Кричевскому gek20003@gmail.com

Задача автора в данной главе – показать специалистам и околоспециалистам в области энергетики взаимосвязь НБИКС-технологий и энергетики, перспективы энергетики на основе НБИКС-технологий, вклад энергетики в развитие НБИКС-технологий.

Использование исключительно полезных ископаемых в виде топлива – путь в никуда. Сжигание извлекаемых из недр Земли угля, нефти, газа является политическим тормозом развития прогресса, и тормоз этот вот-вот будет сорван. Именно сорван, потому все произойдет настолько стремительно, что человечество и опомниться не успеет, как на смену энергетике на основе сжигания топлива придет зеленая альтернативная энергетика. И это в первую очередь должна понять пытливая молодежь, а не циничные политики.

Для специалистов очевидно, что НБИКС-технологии изменяют саму парадигму развития цивилизации, поскольку проникают всюду, в том числе и в энергетику, без которой развитие мира немыслимо. 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. 

Рисунок 1. Разумное использование энергии является одной из главенствующих планетарных задач.

Решить планетарные проблемы энергетики при ограниченности все менее доступных невозобновляемых традиционных источников энергии, можно только поставив на службу экономической эффективности энергетики комплекс конвергентных NBICS-технологий и примыкающей к ним бионики. Хотя разделить возможный вклад на количественном уровне в эффективность энергетики настоящего и будущего всех этих технологий непросто, все же большинство экспертов отдают пальму первенства нанотехнологиям. Поэтому в этой главе, в первую очередь, будет рассматриваться использование нанотехнологий во всем широком спектре проблем энергетики.

Основные проблемы энергетики, реальные и потенциальные возможности нанотехнологий для их решения.

Основные задачи современный энергетики сосредоточены в следующих областях:

– Первичные источники энергии.

– Производство и преобразование энергии.

– Распространение энергии.

– Хранение энергии.

– Использование энергии.

Эти фазы потребления энергии человечеством связаны сложными прямыми и опосредованными связями. На рисунке 2 показана неразрывная цепочка этих связей. 

Рисунок 2. Связь между различными фазами потребления энергии человечеством.

В каждой из этих пяти фаз энергетики, в их решении, в повышении их эффективности находит в настоящее время, и будет находить еще более широкое использование в будущем применение нанотехнологий, как это показано в данной главе на наиболее ярких, но не совсем стандартных, примерах.

Первичные источники энергии и нанотехнологии.

Нанотехнологии, как одна и составляющих НБИКС-технологий, предоставляют новые возможности создания и использования первичных источников энергии. Как традиционных, так и альтернативных.

В частности, при добыче ископаемых источников энергии (нефть, газ) нанотехнологии позволяют использовать погодостойкие, коррозионностойкие, износостойкие покрытия бурильных установок, а применение химических и газовых агентов, имеющих наноразмерный механизм воздействия на пластовые системы, повышает эффективность бурения. Нанопокрытия труб существенно удлиняют срок эксплуатации газо- и нефтепроводов.

В атомной энергетике нанокомпозиты увеличивают эффективность защиты персонала от радиации, повышают надежность утилизации источников радиации.

В фотовольтаике нанотехнологии обеспечивают повышение эффективности солнечных панелей благодаря применению наноматериалов, сверхтонких пленок, антиотражающих покрытий, многослойных фотоэлементов с мультипереходами, квантовых точек, полимеров с заданными свойствами, красителей с нанодобавками.

В область ветроэнергетики нанотехнологии привносят легкие и прочные материалы для ветрогенераторов из нанокомпозитов нового поколения. Это уменьшает вес лопастей при увеличении их длины, что позволяет ветроэнергетическим установкам генерировать энергию даже при малом ветре.

Нанопокрытия и нанокомпозиты увеличивают ресурс геотермальных источников энергии и повышают коррозионностойкость энергетических установок, использующих энергию волн прилива.

В такой экзотической пока технологии получения энергии как энергетическое использование биомассы нанотехнологии, помимо конструкционных материалов для биореакторов, обеспечивают средства контроля за процессом выращивания энергетической биомассы.

Производство энергии и нанотехнологии.

В области производства энергии нанотехнологии это:

- нанокатализаторы для повышения эффективности добычи, перегонки и десульфуризации нефти, сжижения угля;

- защита от коррозии и термодеструкции лопаток газовых турбин, благодаря применению нанокерамики, интерметаллических нанопокрытий, повышение ресурса и надежности работы электростанций;

- износо- и коррозионностойкие нанопокрытия для защиты деталей двигателей внутреннего сгорания, нанодобавки в топливо и масло;

- нанокомпозиты для достижения сверхпроводимости компонентов в электромоторах;

- нанооптимизированные мембраны и электроды для повышения эффективности топливных элементов в автомобилях и в мобильной электронике;

- нанокатализаторы, нанофотоника, новые наноматериалы, фотоэлектрика при производстве водорода, как топлива будущего;

- наноструктурированные компаунды, наностержни для термоэлектричества.

Распространение энергии и нанотехнологии.

По части доставки энергии от места ее производства к потребителю нанотехнологии открывают путь:

- передаче энергии по высоковольтным линиям с нанонаполнителями для электроизоляторов, эффективность передачи энергии повышается благодаря использованию мягких магнитных наноматериалов;

- высокотемпературной сверхпроводимости, основанной на наноразмерном интерфейсе с целью уменьшения потерь электричества при его передаче;

- сверхпроводимым кабелям на основе углеродных нанотрубок;

- линиям электропередач с применением материалов, модифицированных углеродными нанотрубками:

- беспроводной передаче энергии с помощью лазеров, микроволн и электромагнитного резонанса на основе нанооптимизации компонентов;

- умным линиям передач с магниточувствительными наносенсорами для экономичного управления сетями;

- теплопередаче в промышленности, сельском хозяйстве и домохозяйствах, оптимизированной с помощью углеродных нанотрубок и композитов на их основе.

Хранение энергии и нанотехнологии.

Нанотехнологии в хранении энергии:

- оптимизация устройства и работы Li-ионных батарей в мобильных устройствах на основе наноструктурированных электродов и гибких керамических разделительных нанопленок;

- наноматериалы для электродов и электролитов суперконденсаторов для повышения плотности электроэнергии: углеродный аэрогель, углеродные нанотрубки, наночастицы оксидов металлов;

- нанопористые материалы, металлорганика, гидриды металлов для микротепловых панелей в мобильной электронике и в автомобилях;

- нанокомпозитные материалы для снижения улетучиваемости углеводородов из резервуаров для топлива;

- наноматериалы с «памятью» формы для обеспечения кондиционирования зданий;

- нанопористые материалы для обратимого хранения тепла в зданиях и тепловых сетях.

Использование энергии и нанотехнологии.

В деле использования энергии нанотехнологии:

- нанопористые пены и гели, аэрогели, полимерные пены для теплоизоляции зданий и при производстве, начиная с бытовых изделий и кончая транспортными средствами вплоть до космических;

- умное управление световыми и тепловыми потоками в зданиях с помощью наноэлектрохромных окон, микрозеркал и инфракрасных рефлекторов;

- материалы на основе нанокомпозитов, углеродные нанотрубки, металлополимерные композиции, легкие металлические изделия с нанопокрытием для экономного использования энергии;

- замена энергозатратных производственных процессов на нанотехнологии с элементами самосборки без непроизводительного расхода энергии и обратимого использования подсобных материалов;

- энергосберегающие системы освещения: светодиоды, квантовые точки, световые безламповые панели.

Использования нанотехнологий в энергетике.

Использования нанотехнологий в энергетике в настоящее время и в будущем возможно во всех областях производства, распространения, хранения и использования всех видов энергии, произведенной из невозобновляемых и возобновляемых источников. Ведущие мировые компании уже сейчас начинают использовать нанотехнологии в различной форме, и в работе с традиционными источниками энергии (полезные ископаемые, атомная энергетика), и в практическом применении альтернативных возобновляемых источников энергии (фотовольтаика, геотермальная энергия, энергия солнца, ветра, воды, приливов, использование энергетической биомассы).

Можно прогнозировать практическое расширение нанотехнологий в будущем. Так нанопокрытия для погодостойких бурильных установок позволяют оптимизировать и повышать эффективность добычи нефти и газа, развивать геотермальную энергетику. В солнечной и ветровой энергетике нанопокрытия можно применять для защиты от погоды и коррозии оборудования, работающего на открытом воздухе в экстремальных условиях (высокая температура при монтировании солнечных панелей в пустыне, большая влажность при установке ветрогенераторов в прибрежной зоне). Обеспечение работоспособности конструкций при одновременном повышении их прочности достигается с помощью легких и прочных нанокомпозитов, в которых полимерная матрица наполнена наночастицами, нановолокнами, нанотрубками различной химической природы.

Нанотехнологии играют важную роль во всех направлениях энергетики, использующей солнечную энергию (гибкая фотовольтаика с антирефлекторным нанопокрытием на основе кремния, красителей, полимеров). Прогноз повышения эффективности использования нанотехнологий в совершенствовании первичных источников энергии: среднесрочный – на 10 %, долгосрочный – на 60 %.