Энергетическая реформа на молекулярном уровне

Развитые страны уделяют огромное внимание освоению возобновляемых источников энергии. Так, энергетическая стратегия Евросоюза предусматривает получение не менее 20% энергии из возобновляемых источников к 2020 году. В связи с этим особые надежды возлагают на нанотехнологические разработки. В России тоже реализуется ряд крупных проектов в этой сфере.

Вне закона Ома

Применение нанотеха в энергетике весьма разнообразно и иногда неожиданно. Например, всем известно, что высокотемпературные сверхпроводники — дорогой и пока довольно экзотический продукт. Тем не менее стоимость электроэнергии достигла такого уровня, что использование этих материалов становится экономически оправданным. Наноструктурированные сверхпроводящие ленты (они имеют пропускную способность для электрического тока в 10 раз выше, чем аналогичный медный провод) для использования в мощных магнитах и энергоустановках уже выпускаются в Германии и других странах.

Прямое отношение к энергосбережению имеют и новые нанопористые материалы — кристаллические алюмосиликаты, повышающие эффективность отопительных приборов и одновременно поглощающие выделяемый при сгорании топлива в автономных отопителях углекислый газ. Устройства, использующие этот материал, уже производятся в Европе.

Продолжать ряд подобных примеров можно еще долго: наноматериалы и наноструктуры уже прочно обосновались в многочисленных отраслях, связанных с энергетикой. В среднесрочной же перспективе важнейшие применения нано в этой сфере будут связаны с водородными элементами, солнечными источниками электричества, материалами для новых и традиционных энергоустановок.

Больше солнца, больше света

Ричард Смолли, один из отцов нанотехнологий, полагал, что энергетическая проблема — самая важная из тех, с которыми сегодня сталкивается человечество. Относя к ней как низкое энергосбережение, так и недостаточное производство энергии, Смолли надеялся, что в обеих этих областях нанотехнологии способны произвести революцию.

По данным исследовательской компании Lux Research, объем рынка солнечных энергетических устройств в 2008 году превысит $33 млрд, а уже в 2013 году он утроится, достигнув $100 млрд. Производители этой техники мечтают снизить ее стоимость до $1 за ватт мощности. В этом случае солнечная энергия сможет составить конкуренцию энергии, произведенной за счет сжигания угля и нефтепродуктов. Пока к этому рубежу не приблизилась ни одна из используемых в солнечной энергетике технологий.

Доля этого рынка, принадлежащая устройствам на тонких (в несколько сот нанометров) неорганических пленках, составляет более 20%. В абсолютных цифрах это $7,13 млрд, а прогноз на 2013 год дает $25,8 млрд — это означает даже более быстрый рост, чем у рынка в целом. В свою очередь, среди тонкопленочных технологий сегодня наиболее перспективным в коммерческом отношении считается применение аморфного кремния. Эффективность таких элементов не очень высока (7-8% для промышленных установок), но зато они довольно дешевы. Мировое производство тонкопленочных солнечных модулей на основе аморфного кремния в период с 1999 по 2006 год росло ежегодно в среднем на 80%.

Масштабный выпуск таких солнечных элементов и модулей готовится развить российское научно-производственное предприятие "Квант". В частности, планируется построить казахстанско-российский завод с суммарной энергопроизводительностью продукции до 50 мегаватт в год. НПП "Квант", выросшее из основанной в 1919 году мастерской, с 1950-х годов занимается автономными источниками энергии для ракетной и космической техники. На третьем искусственном спутнике Земли, запущенном в 1958 году, уже работала солнечная энергоустановка, созданная специалистами этого предприятия. В дальнейшем оно обеспечивало солнечной энергией самые амбициозные и успешные космические программы в нашей стране.

"Квант" производит и солнечные энергоустановки на кристаллическом кремнии для наземного использования. Среди инновационных проектов предприятия — не только элементы и модули на тонкопленочном аморфном кремнии, но и значительно более эффективные элементы на многослойных гетероструктурах, представляющих собой нечто вроде сложного бутерброда из пленок толщиной в несколько нанометров. В настоящее время обсуждается возможное участие корпорации "Роснано" в финансировании этих проектов.

Свет в конце диода

Еще одно связанное с энергетикой направление нанотеха, где разработки в России ведутся давно,— нанотехнологические светодиоды.

По словам профессора МГУ, доктора физико-математических наук Александра Юновича, сейчас 20% всей энергии в мире тратится на освещение. Около половины этой энергии можно будет сэкономить, если получат достаточное распространение новые источники света — полупроводниковые светодиоды, созданные с использованием нанотехнологий. В США уже существует законопроект о постепенном переходе на светодиодные источники света. По некоторым оценкам, экономия, полученная благодаря этому переходу, может составить $100 млрд. Серийно выпускаемые светодиоды уже сейчас в несколько раз экономичнее обычных ламп накаливания (у экспериментальных прототипов это показатель достигает десяти раз). При этом, как полагает господин Юнович, светильники на основе светодиодов могут предоставлять уникальные удобства, например легко переключаться с утреннего типа освещения в комнате на вечерний.

Основу для создания подобных источников света заложили российские ученые Олег Лосев и Жорес Алферов, Ник Холоньяк из США и японский исследователь Суджи Накамура. Сейчас исследователи во многих странах занимаются повышением эффективности светодиодов белого свечения, предназначенных для бытовых светильников. На Западе уже существует рад компаний, успешно коммерциализирующих такие разработки. Развитие светодиодного направления вполне оправданно экономически: вложения начинают окупаться через 2-4 года.

В России подобные компании тоже существуют, среди них "Корвет Лайтс", ACOL-Technologies, "Оптэл", "Светлана-Оптоэлектроника". Однако они пока что отстают от своих зарубежных коллег по масштабу исследований и практического применения своих технологий. Среди причин обычно называют недостаток финансирования, кадровую проблему, отсутствие централизованной поддержки на государственном уровне. "В России есть все необходимое для создания широкомасштабной программы развития светодиодного освещения. Но без направляющей организационной деятельности и целевого финансирования со стороны государства это неосуществимо. Создание такой программы госфинансирования привлечет в отрасль и инвестиции частного капитала. В результате будут обеспечены развитие светодиодного освещения и большая экономия электроэнергии в нашей стране",— полагает профессор Юнович. По его расчетам, если к 2012 году половина ламп накаливания в России будет заменена светодиодами, уменьшение потребления энергии даст экономию более 10 млрд руб. в год. Эта приблизительная оценка не учитывает того, что, хотя нынешняя стоимость электроэнергии в России меньше, чем в Европе (приблизительно в 4 раза), она обязательно будет повышаться с течением времени.

Энергия отходов

В России есть достойные разработки в области новой энергетики, где нанотехнологии активно используются уже сегодня, например переработка энергонасыщенных отходов. "Мы сейчас делаем проект, который связан с созданием энергопрофицитных установок, работающих целиком на непищевой биомассе. Это может быть солома, мусор, древесина. Нанотехнологии здесь очень эффективны",— рассказывает Лев Трусов, генеральный директор ассоциации "Аспект". В частности, нанотехнологии применяются при выработке энергии на основе биомассы, из которой получается биогаз — смесь метана и углекислого газа. С помощью так называемых нанопористых структур эту смесь можно разделить, и каждая из составляющих принесет свою пользу. "Метан можно направить в турбину и получить энергию, а углекислый газ направить в теплицу, чтобы растения лучше росли. Мы сейчас строим первый такой комплекс в Калужской области, причем при личной поддержке губернатора Артамонова",— рассказывает Лев Трусов. Такие установки в перспективе могут решить одну из основных российских проблем — недостаточности местных источников энергии. В России газифицировано только 12% домов в сельской местности. Энергетические установки, работающие на биомассе, могут устранить необходимость проведения газопроводов в отдаленные, разбросанные по огромной стране деревни и села.

Другая проблема, решаемая сейчас с помощью наноматериалов,— энергосбережение в области нефтедобычи. "Об этой проблеме в послании Федеральному собранию писал еще занимавший тогда пост президента Владимир Путин. Она состоит в том, что мы просто сжигаем 20 млрд кубометров попутного газа, и так из года в год. Применение наномембранных, нанокаталитических материалов позволило создать серьезную промышленную установку на одном из предприятий СИБУРа и на практике доказать, что эта проблема решаема: попутный газ можно не сжигать, а перерабатывать в ценные товарные продукты — бензол, толуол и другие материалы, которые востребованы на рынке",— рассказывает Лев Трусов.

Единичный опыт получит развитие — использование нанотехнологических установок СИБУР включил в стратегию компании. Нанотехнологии помогают решать энергетические проблемы даже на индивидуальном уровне. "Мы разработали портативное зарядное устройство — "розетку", которую можно просто носить в дамской сумочке и при необходимости подзаряжать мобильные устройства. Это стало возможным благодаря так называемым градиентным нанопористым материалам",— рассказывает Лев Трусов.