Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362
.pdf
ГЛАВА 11 Энергетика
В книге Twilight in the Desert («Сумерки в пустыне») описыва
ются нефтяные поля Саудовской Аравии. В ней анализируется со стояние крупнейших нефтяных полей мира и уровень их истощения. Согласно этому анализу, цены на нефть и нефтепродукты, вероятно,
останутся такими же высокими, если не выше. Дело в том, что спрос на нефть постоянно растет быстрее предложения1.
Почти 99% современных ученых согласны с тем, что повышение уровня концентрации углекислого газа в атмосфере вызовет серьез ные проблемы в течение ближайших 100 лет. Все ископаемые виды
топлива выделяют углекислый газ при сгорании. Поэтому если мы
будем продолжать сжигать нефть, газ и уголь, то должны придумать способы снижения уровня углекислого газа в атмосфере. Многие компании разрабатывают варианты сохранения углекислого газа в подземных резервуарах, океане или в составе производных веществ,
например карбонате кальция. Проблема в том, что для снижения со
держания углекислого газа в атмосфере такими методами придется в течение 100 лет хоронить десятки гигатонн углекислого газа.
Доступность
Энергия неодинаково доступна всем людям на Земле. Как уже говорилось выше, около 2 млрд человек не имеют доступа к элек
тричеству, а еще 2 млрд вынуждены использовать биомассу (то есть
древесину и продукты жизнедеятельности домашних животных). На рисунке 11.2 показаны кривые спроса и текущего потребле
ния нефти, газа и угля. Человечество потребляет огромное их коли
чество. По мере приближения к 2050 г. спрос на эти виды топлива
будет только расти. Если учесть, что текущие прогнозы чрезвычайно занижены и не учитываются некоторые факторы, то положение мо жет быть еще более тяжелым.
Например, ежегодные общемировые темпы роста потребления энергии равны 2%, а темпы роста потребления энергии в Китае — 20%.
Поскольку население Китая превышает 1 млрд человек, то общий рост потребления энергии в мире вряд ли останется на прежнем уровне. Фактически потребление энергии растет в наиболее населенных стра
нах мира вместе с ростом уровня жизни: люди стремятся покупать ав
1Книга была написана до падения цен на нефть в конце 2008 г.,
иавтор не мог себе предположить такого сценария развития событий. —
Прим. ред. |
233 |
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
томобили и больше путешествуют. На рисунке 11.3 показана структура основных видов топлива, которые потребляются в настоящее время.
Рис. 11.2. Спрос на ископаемые источники энергии и их потребление
|
Рис. 11.3. Более половины потребляемого топлива — это ископаемые ресурсы |
|
ПРОБЛЕМА ТЕРАВАТТА |
|
Этот термин образно описывает проблемы современной энергети |
234 |
ки. В пересчете на нефть человечество ежедневно потребляет более |
ГЛАВА 11 Энергетика |
|
210 млн баррелей нефти, из которых около трети приходится на саму |
|
нефть, а остальная часть — на уголь, газ, ядерное топливо, биомассу |
|
и гидроресурсы. За исключением гидроресурсов основная часть то |
|
плива — это невозобновляемые источники энергии. Благосостояние |
|
в XX в. было связано с потреблением нефти. Что же станет основой |
|
энергетики в XXI в.? |
|
По самым скромным оценкам, в 2050 г. человечеству потребуется |
|
вдвое больше энергии, чем сегодня (а если учесть некоторые допол |
|
нительные факторы, то даже вчетверо). Это значит, что ежегодно |
|
будет тратиться 10–15 тераватт. |
|
Тераватт — это миллион миллионов ватт (то есть 1012 ватт), что приблизительно |
|
соответствует миллиону баррелей нефти. |
|
В настоящее время нет никаких возможностей для удовлетво |
|
рения столь высоких потребностей человечества. Потребление неф |
|
ти, газа и угля составит лишь малую долю от общего потребления |
|
энергии. Для удовлетворения повышенного спроса потребуется ис |
|
пользовать новые источники энергии на основе ядерного распада и |
|
синтеза, гидроэнергетики и новых возобновляемых источников энер |
|
гии. Сможет ли человечество овладеть этими новыми источниками |
|
в ближайшие десятилетия? |
|
ЭФФЕКТИВНОСТЬ |
|
По мнению Эймори Ловинс (Amory Lovins) из Института Роки |
|
Маунтэйн (США), решить энергетические проблемы можно с по |
|
мощью повышения эффективности производства и использования |
|
новых материалов. Например, если делать автомобили из компози |
|
тов, то их масса уменьшится, и потребление энергии снизится. Такие |
|
автомобили могли бы дать до 69% экономии потребляемого топлива. |
|
Использование более прочных композитных материалов также по |
|
зволило бы создавать конструктивно иные грузовики и микроавтобу |
|
сы и получить экономию топлива до 65%. |
|
Компании Boeing и Airbus достигли заметного прогресса в при |
|
менении новых материалов. Например, новый самолет Boeing 787 |
|
Dreamliner спроектирован на основе композитных материалов, по |
|
зволяющих более эффективно использовать топливо. |
|
Нельзя ли приостановить рост потребления энергии и удовлетво |
|
риться текущими потребностями? Большинство экспертов считают, |
|
что даже при современном уровне потребления ископаемых ресурсов |
235 |
|
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
человечеству надолго не хватит имеющихся запасов биомассы, чтобы прокормиться и отопить свои жилища.
Альтернативные виды энергии
Правительство США уделяет пристальное внимание использова нию водорода в качестве топлива. Однако чтобы сжигать водород, его сначала нужно получить.
Группа исследователей под руководством профессора Манора
ньяна Мисры (Manoranjan Misra) из Университета штата Невада в Рино (США) использует массивы нанотрубок на основе диоксида титана для генерации водорода на основе расщепления воды с помо щью солнечного света. Если этот процесс удастся перенести на более
крупный промышленный масштаб, то он может стать основой для
получения водорода из воды.
При использовании нового метода молекулы воды расщепляются гораздо эффективнее. В настоящее время изучаются различные мате риалы, полученные на основе углеродных нанотрубок, чтобы повы
сить эффективность процесса расщепления воды с использованием
бесплатной солнечной энергии.
Вметоде Мисры около 1 трлн нанотрубок помещается на пло щадке из диоксида титана величиной с ноготь. Полученный водород удается сохранять в системах наноразмерных пор титана и углерод
ных нанотрубок. Такой наноматериал способен сохранять водород
для последующего использования в двигателях автомобилей.
Вмайском номере журнала Physical Review Letters группа уче
ных из Национальной лаборатории Лос Аламос (США) поделилась своим открытием. Они обнаружили, что один фотон может генери
ровать три свободных электрона в квантовой точке. В современных солнечных фотоэлементах один фотон способен генерировать только один электрон, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Таким
образом, новый метод позволит повысить эффективность солнечных фотоэлементов с 20–30 до 65%.
|
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ |
|
Как насчет энергии, получаемой на основе ядерного распада? Для |
|
решения «проблемы тераватт» нужно построить очень много новых |
|
атомных электростанций. Причем это должны быть электростанции |
|
бридеры, поскольку имеющегося урана будет недостаточно для полу |
|
чения многих тераватт энергии. Сколько нужно построить бридеров |
236 |
к 2050 г., чтобы получить 10 тераватт? Не удивляйтесь, но для этого |
ГЛАВА 11 Энергетика
потребуется построить 10 тыс. атомных элетростанций с мощностью 1 гигаватт. Это значит, что в течение 27 лет каждый день должна вво диться в строй новая атомная электростанция. Вряд ли человечество
сможет осилить такую задачу в ближайшие 50 или даже 100 лет.
Вероятно, наиболее перспективным является создание реакторов |
|
на основе ядерного синтеза. Если они будут созданы, то, несомнен |
|
но, начнут использоваться. Однако, по современным оценкам, их |
|
стоимость будет чрезвычайно высока. |
|
Кроме того, использование ядерных реакторов всех типов свя |
|
зано с огромной опасностью для окружающей среды, прежде всего |
|
из за наличия радиоактивных отходов. |
|
Уникальные свойства наноматериалов могут пригодиться для пере |
|
дачи и распределения энергии, выработанной атомной электростанцией. |
|
На рисунке 11.4 показана схема типичной атомной электростанции и ее |
|
компонентов, в основе которых могут использоваться нанотехнологии. |
|
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ |
|
Геотермальная энергия генерируется за счет использования под |
|
земных тепловых потоков, которые поднимаются к поверхности зем |
|
ли с водой и паром. Представьте себе парилку с горячими камнями, |
|
на которые льют воду. |
|
Чтобы воспользоваться этой энергией, в зонах с термальными |
|
подземными водами сверлят скважины, по которым нагретые грун |
|
товые воды поступают на поверхность. Для извлечения этой энергии |
|
в промышленном масштабе требуется пробурить как можно больше |
|
скважин, что существенно повышает стоимость такой энергии. |
|
По данным Всемирного геотермального конгресса, по состоянию |
|
на 2005 г. 72 страны использовали около 16 гигаватт геотермальной |
|
энергии для обогрева жилищ, растапливания снега, обогрева лечеб |
|
ниц и парников, а 24 страны — около 9 гигаватт для выработки |
|
электрической энергии. Рейкьявик, столица Исландии, полностью |
|
отапливается за счет геотермальной энергии вулканических пород |
|
Среднеатлантического хребта, который пересекает Исландию. Для |
|
этого к системе отопления подключены подземные резервуары с го |
|
рячей водой с температурой 80–100 °С. А для выработки электриче |
|
ской энергии используются резервуары с температурой около 180 °С |
|
и выше. Такие резервуары обычно находятся вблизи вулканов и со |
|
держат горячий пар внутри раскаленных горных пород. Благодаря |
|
наноматериалам ученые и инженеры могут повысить эффективность |
|
передачи геотермальной и электрической энергии. |
237 |
238
Рис. 11.4. Эффективность атомной электростанции можно повысить за счет |
использования наноматериалов в ее компонентах |
приложения (неорганические) «Сухие» III ЧАСТЬ
ГЛАВА 11 Энергетика
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
Взгляните на Солнце на рис. 11.5 (непосредственно на него луч
ше не смотреть, чтобы не повредить зрение) и сравните его огромные размеры с гораздо меньшими размерами Земли.
Рис. 11.5. Солнце ежедневно генерирует гораздо больше энергии, чем может использовать человечество
Сколько тераватт солнечной энергии поступает на Землю еже |
|
дневно? Около 165 тыс. тераватт, что гораздо больше, чем необходи |
|
мые человечеству 10 тераватт. Остается только найти такие способы |
|
их получения, чтобы эту энергию можно было использовать вместо |
|
нефти, газа и угля. |
|
Возможно ли это? И да, и нет. В 2006 г. США использовали |
|
около 3 тераватт. Чтобы удовлетворить все энергетические потреб |
|
ности человечества, солнечными батареями пришлось бы полностью |
|
покрыть территорию нескольких штатов: Техаса, Оклахомы, Канза |
|
са, Колорадо и Нью Мексико, но это непрактично. |
239 |
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
Что является наибольшей проблемой при получении и использо вании солнечной энергии? Дело в том, что солнечный свет не всегда одинаково освещает поверхность Земли. Необходимо найти способ
сохранения солнечной энергии для ее использования в темное или пасмурное время суток.
Солнечная энергия — наиболее перспективный альтернативный
источник энергии для южных штатов США. С ее помощью можно
было бы удовлетворить потребности в электроэнергии в масштабах всей страны. Однако Правительство США ежегодно выделяет менее 100 млн долларов на исследования способов получения солнечной энергии. Для удовлетворения растущих энергетических потребно
стей правительству нужно инвестировать большие средства в этот
|
и другие возобновляемые источники энергии. |
|
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ |
|
Можно ли использовать другие химические виды топлива, на |
|
пример природный газ? К сожалению, это связано с проблемой по |
|
вышения уровня углекислого газа и стоимостью добычи, доставки |
|
и распределения природного газа. В июле 2005 г. в журнале Scien |
|
tific American в статье Can We Bury Global Warming? («Можно |
|
ли похоронить глобальное потепление?») Роберт Х. Соколов (Ro |
|
bert H. Socolow) привел оценку, согласно которой Уильям Шекспир |
|
с каждым миллионом вдыхаемых молекул поглощал 280 молекул |
|
углекислого газа, а мы — 380. |
|
Сейчас изучается возможность секвестрации углерода (carbon |
|
sequestration), то есть сохранения углекислого газа под землей или |
|
в глубинах океана вместо выброса его в атмосферу. Альтернативные |
|
способы получения энергии должны основываться на более эффек |
|
тивном использовании ископаемых видов топлива и замещении их |
|
другими возобновляемыми источниками энергии. |
|
Экологически чистое использование угля — одно из перспектив |
|
ных направлений, но для этого с помощью нанотехнологий придется |
|
решить проблемы секвестрации углерода и снижения стоимости ис |
|
пользования угля. |
|
«УМНЫЕ» ЭНЕРГОСЕТИ |
|
Для создания поистине «умных» энергосетей США и другие |
|
промышленно развитые страны стремятся улучшить свойства элек |
|
трических кабелей. Они пытаются кардинально изменить способы |
240 |
хранения и передачи энергии на основе сверхпроводящих кабе |
ГЛАВА 11 Энергетика
лей, в которых практически нет потерь энергии. Смолли называет такую систему распределенной сетью генерирования и хранения
электроэнергии (distributed storage and generation grid). Все
мирная энергетическая сеть должна перейти от транспортировки традиционного массивного топлива (угля, нефти, газа и т. д.) к передаче невесомой энергии (электрического тока по проводам).
На рисунке 11.6 представлена схема возможного улучшения систе
мы доставки энергии.
Рис. 11.6. Передачу энергии можно сделать гораздо более эффективной за счет усовершенствования методов и материалов
Наноматериалы, например углеродные нанотрубки, представля |
|
ют собой один из вариантов, повышающих эффективность системы |
|
передачи электрической энергии. Дело в том, что проводимость угле |
|
родных нанотрубок в 6 раз выше проводимости меди. К тому же |
|
они имеют гораздо меньший размер, что особенно важно в местах, |
|
где подземные коммуникации уже переполнены медными провода |
|
ми, например в подземных коммуникациях Нью Йорка, которые |
241 |
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
уже в шутку называют наибольшими залежами меди в мире. Кабели на основе углеродных нанотрубок вполне могут разместиться в уже
существующих подземных коммуникациях, и для них не придется рыть новые туннели.
Современная энергосеть уже заметно устарела. Ее основные ком поненты имеют возраст от 15 до 20 лет. Энергосеть должна обладать
положительными свойствами Интернета, то есть быть надежной, за щищенной от атак злоумышленников, а также сохранять энергию (например, в батареях, механических аккумуляторах, водородных элементах и т. п.).
Во время «затемнения» (аварии энергосистемы, которая имела
место во многих штатах Северо Востока США и Канаде 14 августа 2003 г.) огромное количество людей оставалось без электроэнергии в течение недели1. В отсутствие эффективных альтернативных ли ний передача и распределение энергии были полностью разрушены. Чтобы исключить регулярное появление «затемнений» в промыш ленно развитых странах (которые уже зафиксированы в Италии,
Великобритании, Канаде и скандинавских странах), нужно реши
тельно изменить систему передачи и распределения электрической энергии.
«Затемнение» — это масштабная авария энергосистемы, которая является результатом несбалансированности спроса на электрическую энергию и ее потребления.
Большое значение для исключения «затемнений» имеет локаль ное генерирование электроэнергии. Не принципиально, как именно
она генерируется (за счет солнечной, ядерной, геотермальной или
других видов энергии), но очень важно использовать все местные источники.
Надежность энергосети можно повысить с помощью наномате
ралов и нанотехнологий. Достоинством «умной» энергосети явля ется то, что каждый ее элемент играет активную, а не пассивную
роль.
В таблице 11.2 приведена сравнительная характеристика совре менной энергосети и «умной» энергосети будущего.
|
1 |
Самое известное отключение такого масштаба в России — в мае |
|
|
|
242 |
2005 г. в Москве на полдня. Правда на Дальнем Востоке такие отключения |
|
до последнего времени были обычным делом. — Прим. ред. |
||