Нанотехнологии предоставляют потенциал для повышения энергоэффективности во всех отраслях промышленности и экономически, эффективного использования возобновляемой энергии посредством новых технологических решений и оптимизированных технологий производства. Инновации в области нанотехнологий могут повлиять на каждую часть цепочки добавленной стоимости в энергетическом секторе.
Давайте рассмотрим эти области энергетической цепочки в деталях
Источники энергии
Нанотехнологии имеют существенный потенциал улучшения для развития как традиционных источников энергии (ископаемого и ядерного топлива), так и возобновляемых источников энергии, таких как геотермальная энергия, солнце, ветер, вода, приливы или биомасса.
Например, износостойкие буровые наконечники с нано-покрытием позволяют оптимизировать срок службы и эффективность систем для разработки месторождений нефти и природного газа или геотермальной энергии и, следовательно, экономии затрат.
Другими примерами являются высокопрочные наноматериалы для более легких и прочных лопастей ротора ветряных и приливных электростанций, а также слои для защиты от износа и коррозии для механически компонентов (подшипников, коробок передач и т. д.).
Нанотехнологии в дальнейшем будут играть решающую роль, в частности, в интенсивном использовании солнечной энергии через фотоэлектрические системы.
Прежде всего, это будет дальнейшее развитие альтернативных типов элементов, таких как тонкослойные солнечные элементы (среди прочих кремниевых или других материальных систем, таких как медь, индий, селен), окрашенные солнечные элементы или полимерные солнечные элементы, которые будет преимущественно изготовлены с применением нанотехнологий.
Говорят, что полимерные солнечные элементы имеют большой потенциал, особенно в отношении поставок портативных электронных устройств, благодаря недорогим материалам и способам производства, а также гибкой конструкции. Среднесрочными целями развития являются эффективность, которую необходимо увеличить на 10% и увеличение срока службы.
Здесь, например, нанотехнологии могут способствовать оптимизации конструкции слоев и морфологии органических полупроводниковых смесей в компонентных структурах. В конечном счете, использование наноструктур, таких как квантовые точки и провода.
Преобразование энергии
Преобразование первичных источников энергии в электричество, тепло и кинетическую энергию требует максимальной эффективности. Повышение эффективности, особенно на газовых и паровых электростанциях, работающих на ископаемом топливе, может помочь избежать значительных выбросов углекислого газа.
Однако для повышения эффективности электростанции требуются более высокие рабочие температуры и, следовательно, термостойкие материалы турбин. Улучшения возможны, например, благодаря наноразмерным слоям защиты от тепла и коррозии для лопаток турбин на электростанциях или авиационных двигателях, чтобы повысить эффективность за счет повышения рабочих температур или применения легких конструкционных материалов (например, алюминидов титана).
Нанооптимизированные мембраны могут расширить возможности для отделения и климатически нейтрального хранения углекислого газа для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на угле, чтобы сделать этот важный метод выработки электроэнергии экологически безопасным в долгосрочной перспективе. Выход энергии из преобразования химической энергии через топливные элементы может быть увеличен наноструктурированными электродами, катализаторами и мембранами, что приводит к экономическим возможностям применения в автомобилях, зданиях и эксплуатации мобильной электроники.
Термоэлектрическое преобразование энергии представляется сравнительно перспективным. Наноструктурированные полупроводники с оптимизированной конструкцией пограничного слоя способствуют повышению эффективности, что может проложить путь к широкому применению при утилизации отработанного тепла, например, в автомобилях, или даже тепла человеческого тела для портативной электроники в текстиле.
Распределение энергии
Что касается снижения потерь энергии при передаче тока, существует надежда, что необычайная электропроводность наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки, может быть использована для применения в электрических кабелях и линиях электропередач. Кроме того, существуют нанотехнологические подходы для оптимизации сверхпроводящих материалов для проводимости тока без потерь.
В долгосрочной перспективе предлагаются опции для беспроводной передачи энергии, например, с помощью лазера, микроволн или электромагнитного резонанса. Для будущего распределения электроэнергии потребуются энергосистемы, обеспечивающие динамическое управление нагрузкой и отказами, энергоснабжение на основе спроса с гибкими ценовыми механизмами, а также возможность подачи через ряд децентрализованных возобновляемых источников энергии.
Нанотехнологии могут внести решающий вклад в реализацию этого видения, в частности, с помощью нано-сенсорных устройств и силовых электронных компонентов, способных справиться с чрезвычайно сложным контролем и мониторингом таких сетей.
Хранение энергии
Использование нанотехнологий для улучшения запасов электрической энергии, таких как батареи и суперконденсаторы, являются перспективным. Благодаря высокому напряжению в ячейке и исключительной плотности энергии и мощности, литий-ионная технология считается наиболее перспективным вариантом накопления электрической энергии.
Нанотехнологии могут решительно улучшить емкость и безопасность литий-ионных батарей, например, благодаря новым керамическим, термостойким и все еще гибким сепараторам и высокопроизводительным электродным материалам. Компания Evonik способствует коммерциализации таких систем для применения в гибридных и электромобилях, а также для стационарного накопления энергии.
В конечном счете, даже водород, кажется, является многообещающим хранилищем энергии для экологически чистого энергоснабжения. Помимо необходимых настроек наноструктуры, эффективное хранение водорода рассматривается как один из важнейших факторов успеха на пути к возможному управлению водородом.
Современные материалы для хранения химического водорода не отвечают требованиям автомобильной промышленности, для которой требуется огромные емкости для хранения водорода.
Различные наноматериалы, в том числе основанные на нанопористых металлоорганических соединениях, обеспечивают потенциалы развития, которые, по-видимому, являются экономически реализуемыми, по крайней мере, в отношении работы топливных элементов в портативных электронных устройствах.
Другое важное направление - хранение тепловой энергии. Например, потребность в энергии в зданиях может быть значительно снижена при использовании материалов с фазовым переходом, таких как скрытые накопители тепла. С экономической точки зрения интересны также адсорбционные накопители на основе нанопористых материалов, таких как цеолиты, которые могут применяться в качестве накопителей тепла в сетях централизованного теплоснабжения или в промышленности. Адсорбция воды в цеолите обеспечивает обратимое хранение и выделение тепла.
Использование энергии
Чтобы добиться устойчивого энергоснабжения и параллельно оптимизированого развития доступных источников энергии, необходимо повысить эффективность использования энергии и избежать ненужного потребления энергии. Это касается всех отраслей промышленности и частных домохозяйств. Нанотехнологии предоставляют множество подходов к энергосбережению.
Примерами являются снижение расхода топлива в автомобилях через легкие конструкционные материалы на основе нанокомпозитов, оптимизация сгорания топлива за счет износостойких, более легких компонентов двигателя и внедрению компонентов наночастиц в топливо или даже применение наночастиц для оптимизирования шин с низким сопротивлением трению.
Значительная экономия энергии возможна благодаря трибологическим слоям для механических компонентов в установках и машинах. Технология строительства также обеспечивает большие возможности для экономии энергии, которая может быть реализована, например, с помощью нанопористого теплоизоляционного материала, подходящего для энергетической реабилитации старых зданий.
В общем, контроль светового и теплового потока с помощью нанотехнологических компонентов, таких как, например, переключаемые стекла, является многообещающим подходом к снижению энергопотребления в зданиях.
