Нанотехнологии в энергетике

Потребление энергии в мире непрерывно растет. Оценки показывают, что на протяжении ХХ века потребление энергии увеличилось почти в 15 раз, а к 2050 году мировая потребность в энергии, как минимум, удвоится по сравнению с современным уровнем. Это создает серьезные проблемы, связанные с экологией и истощением природных источников топлива, в первую очередь – нефти, газа и угля. Актуальной становится задача поиска альтернативных источников энергии, использующих силу ветра, энергию Солнца и геотермальных источников, энергию химической реакции при сгорании водорода и др. К настоящему времени достигнут большой прогресс в освоении альтернативных источников энергии, промышленностью производится множество различных генераторов электроэнергии, отличающихся друг от друга принципом действия и техническими характеристиками.

Общей проблемой их является недостаточно высокий коэффициент полезного действия и относительно высокая стоимость 1 кВт. Решением проблемы может быть использование нанотехнологий. К основным областям энергетики, где нанотехнологии могут дать наиболее существенный эффект, можно отнести водородную энергетику, солнечную энергетику, термоэлектрические преобразователи и накопители элекрической энергии – суперконденсаторы.

Водородная энергетика

Водородная энергетика сформировалась более 30 лет назад. Работы по водородной энергетике во многих промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям социально-экономического развития.У водорода есть множество очевидных достоинств. Он полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество энергии и оставляя после себя только водяной пар. Его можно транспортировать по трубопроводам, он не обладает коррозирующим действием, не ядовит, хотя и взрывоопасен. Запасы водорода (как компонента воды H₂O) практически неограниченны. Водород представляется идеальным горючим для относительно маломощных и, в то же время, многочисленных силовых установок, размещенных на подвижных платформах – прежде всего для автомобильных и авиационных двигателей.

Технологический цикл водородной энергетики включает в себя три этапа:

– получение водорода;

– транспортировка и хранение;

– использование водородного топлива с целью получения электрической или иной энергии.

Получение водорода

В настоящее время существует довольно много различных методов промышленного производства водорода. Основным среди них являются:

– паровая конверсия природного метана;

– электролиз воды;

– газификация угля;

– выделение из биомассы.

Суть первого способа заключается в том, что водяной пар при температуре 700 – 1000 °С смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора, в результате чего происходит несколько различных реакций, основная из них:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂.

В результате получается водород 95 – 98,5 % чистоты с содержанием в нем от 1 до 5 % метана и следов СО и СО₂. Используя дополнительные системы очистки, можно добиться чистоты на уровне 99,99 %. В настоящее время паровая конверсия метана является наиболее доступным и дешевым способом, с его помощью производится примерно половина всего водорода. В США, например, данным способом получают порядка 95 % водорода, что составляет около 50 % мирового производства.

Электролиз воды также является одним из самых известных и глубоко исследованных способов производства водорода. В его основе лежит реакция:

2H₂O + электроэнергия = 2H₂ + O₂.

Водород в данном способе получается электролизом дистиллированной воды в электролизере, который выполнен на твердом электролите – полимерной мембране. Способ позволяет получить чистый водород (99,6 – 99,9 %) за одну технологическую ступень. Немаловажно, что в процессе получения водорода данным способом в качестве побочного продукта выделяется большое количество кислорода, который находит широкое применение в различных областях (ускорители технологических процессов, очистители водоемов и промышленных стоков, горючее для сжигания больших количеств бытовых отходов). Еще один ценный побочный продукт электролиза воды – тяжелая вода, которая является хорошим замедлителем нейтронов в атомных реакторах, а также основным сырьем в термоядерной энергетике.

Следует отметить, что электролиз воды – энергоемкий процесс, он экономически обоснован только при невысокой стоимости электроэнергии. Поэтому он широко применяется в странах, обладающих внушительными гидроресурсами или развитой атомной энергетикой.

Газификация угля является самым первым способом получения водорода в промышленных масштабах (первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века). В основе способа лежит нагрев порошка угля вместе с водяным паром до температур порядка 800 – 1300 °С без доступа воздуха, в результате чего происходит реакция:

C + H₂O = CO + H₂.

Полученную смесь водорода и угарного газа, называемую синтез-газом, разделяют или используют без разделения. Данный способ отличается самым высоким уровнем отходов. К его неоспоримым достоинствам относится то, что с его помощью можно получить очень чистый водород.

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500 – 800 °С (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

На стадии исследований находится ряд других способов получения водорода. Среди них:

– разложение воды на водород и кислород, основанное на использовании термохимических циклов с подачей в зону реакции тепловой энергии от ядерных установок или гелиоустановок;

– биохимическое разложение воды с использованием специально выведенных типов водорослей или микроорганизмов;

– фотокаталитическое разложение воды – фотолиз воды под воздействием света в присутствии полупроводниковых катализаторов (смешанные оксиды, сульфиды и селениды).