От виртуальных электростанций до бумажных чипов: 10 революционных технологий в энергетике

Как известно, без мощных накопителей энергии (попросту говоря — батарей) зеленая энергетика не сможет стать стабильнее и доступнее. Литий-воздушные аккумуляторы в ближайшие годы как раз должны прийти на смену литий-ионным, которые остаются очень токсичными для окружающей среды.

Как указывают авторы доклада, литий-воздушные аккумуляторы привлекли к себе большое внимание за последнее десятилетие из-за их сверхвысокой теоретической плотности энергии 3505 Втч/кг, сравнимой с бензином. Плюс они более экологичные, однако раньше выходят из строя. Ученые, тем не менее, работают над этим. Например, новое слово в энергетике — литий-кислородные аккумуляторы. Чтобы их хватало на более длительный срок, чем сейчас, инженеры изучают возможности контроля за разложением побочных углеродных материалов, образующихся под действием высокого напряжения. Если эту проблему удастся решить, у таких батарей просто не останется минусов, а эпохе Li-On, возможно, скоро придет конец.

На заре развития нефтяной отрасли, более ста лет назад, люди не придавали значения попутным газам. Более того, природный газ, залежи которого часто обнаруживались на нефтяных месторождениях, попросту выходил в атмосферу — все охотились только за черным золотом. И только спустя десятилетия человечество открыло для себя голубое топливо. Сейчас технологии улавливания газов, особенно нефтяного, — одно из перспективных направлений энергетики.

Почему? Дело в том, что в попутном нефтяном газе могут содержаться метан и более тяжелые углеводороды — от этана до бутана. Это делает такой газ ценным нефтехимическим сырьем, из которого потом производят, например, этилен.

Для чего нужны «сбор» и переработка попутного газа? Для того, чтобы ценный ресурс для нефтехимической промышленности не терялся зря, а также чтобы сократить объем выбросов парниковых газов и углеродный след от нефтедобычи. Самый оптимальный путь — создание инфраструктуры для транспортировки газа, очистки и выделения его компонентов. Для этого нужны потребители рядом или же магистральные трубопроводы вместе с газоперерабатывающими мощностями поблизости от месторождений.

Виртуальная электростанция (ВиЭС) — умная система, которая координирует распределенные энергоресурсы или мелких производителей энергии. Это ветровые и фотоэлектрические генераторы, системы накопления энергии, малые гидрогенераторы, теплоэлектростанции (ТЭЦ), коммуникационная инфраструктура и так далее.

Действуя как агрегатор, ВиЭС напрямую контролирует отдельных «игроков» или корректирует уровни потребления и выработки энергии. При этом такая станция учитывает множество данных: и реакцию стороны потребления, и нестабильность возобновляемых ресурсов. Соответственно, ВиЭС могут предоставлять сетевые услуги оператору системы передачи электроэнергии и сбытовым компаниям для эффективного менеджмента. Чтобы сделать эту работу более эффективной, ВиЭС нужно «апгрейдить» преобразователями, формирующими сеть, облачными вычислениями, электронными платформами для торговли электричеством и так далее.

Для традиционных энергоциклов основной способ увеличения КПД — повышение температуры и давления рабочего тела на входе в турбину, то есть увеличение температуры «нагревателя». Однако перейти на более высокие параметры рабочей среды нельзя, этому препятствует рост капитальных затрат на создание энергоблоков в связи с увеличением доли жаропрочных сплавов металлозатрат и металлоемкости из-за утолщения стенок энергооборудования.

Альтернативный способ — переход на углекислотные рабочие тела. Кроме повышения эффективности генерации энергии, его плюс — в заметном снижении выбросов диоксида углерода. При этом ряд циклов, в частности, SCOC-СС, цикл Аллама, цикл Брайтона с частичной конденсацией имеет технико-экономические показатели, сравнимые с наилучшими доступными в настоящее время традиционными источниками энергии.

Двигателем «бумажной» энергетики выступает развитие мобильных интеллектуальных устройств и систем, искусственного интеллекта, биомиметической электроники.

Почему бумага? Все просто: это самый дешевый и доступный гибкий материал, при этом он полностью разлагается и подлежит переработке. Наконец, она легкая, а разные химические «добавки» только придают ей суперсвойства, одно из них — водонепроницаемость. На бумажной основе сегодня производят печатные платы, датчики (вроде датчиков загазованности и влажности) и даже аккумуляторы, активно развивается печать гибридной электроники на гибких бумажных и пластиковых подложках.

Биоинспирированные и биомиметические самовосстанавливающиеся материалы — так они называются по-научному. Это встроенные микродатчики, медицинские имплантаты — устройства с «безбатарейным» решением, которые автономно работают без техобслуживания, поглощая энергию из окружающих источников (вибрации, тепло, свет и воду) и превращая ее в электричество.

Сегодня органическая электроника делается из полимеров, керамики, бетона, металла. При этом создатели ноу-хау вдохновляются живой природой и способностью организма к самовосстановлению после повреждений, так как стабильность работы биобатареек пока еще остается одной из главных проблем.

На фоне дискуссий о том, что ядерную энергетику пора уже официально признать «зеленой», встает вопрос о внедрении современных технологий переработки отработанного ядерного топлива, а именно урана и плутония. Зачем? Во-первых, для безопасности окружающей среды, а во-вторых, из их состава можно извлечь ценные ресурсы.

Как следует из доклада, одно из решений — это замыкание ядерного топливного цикла (то есть закрытый цикл) наравне с трансмутацией минорных актинидов. При масштабном использовании этих технологий объем радиоактивных отходов в мире снизится в разы.

Топливные элементы с протонообменной мембраной (ТЭПМ) — самый распространенный сегодня тип топливных элементов. Они могут преобразовывать химическую энергию топлива в электричество с КПД как минимум 60% и способны работать при экстремально низких температурах (-80-120°C), питая электроэнергией транспорт и портативные устройства, а также целые энергосистемы.

ТЭПМ используют твердый полимер в качестве электролита и пористый углерод, наполненный катализатором. Электрохимическая конверсия водорода в топливных элементах не производит вредных выбросов. При этом они удобнее батарей, например, им требуется меньше времени для перезарядки, так как заправка водородом происходит быстро. Однако, учитывая стоимость водорода и электроэнергии, по своим характеристикам топливные элементы в настоящее время больше подходят для дальних перевозок и большегрузов, чем для ближних маршрутов.

Использование полимерных композиционных материалов для повышения энергоэффективности и энергосбережения — еще оно из перспективных направлений энергетики. Ученые уделяют внимание выбору «исходников» для получения теплоизоляции с нужной теплопроводностью, электропроводностью и плотностью. Такие материалы используются, например, для изоляции теплосетей и оборудования в целях сокращения теплопотерь.

Среди перспективных теплоизоляционных материалов исследователи выделяют твердый пенополивинилхлорид, который может работать при температуре от +60 до —60 °С, а также твердый пенополиуретан с диапазоном от —50 до +110 °С и полиэтилен вспененный — материал с замкнутыми порами. Их преимущество — в особой химической структуре (макромолекулы и многоуровневая организация) и почти неисчерпаемой сырьевой базе.

Особое внимание авторы доклада уделили проектированию и строительству газотранспортной системы на региональном уровне. А именно на Востоке России, где прямо сейчас формируется принципиально новая газотранспортная система: более протяженная, территориально распределенная, труднодоступная, пролегающая в малонаселенных областях. Именно с учетом этих моментов специалисты проектируют и строят новые газовые магистрали вроде «Силы Сибири-2», «Восточной системы газоснабжения», газопровода «Ковыкта — Саянск — Иркутск», «Ковыкта — Чаянда» и так далее.

Отдельным блоком стоят вопросы промышленной безопасности и охраны окружающей среды, в частности, получение оценки геоэкологического состояния объектов транспорта газа.