Внедрение технологий «зелёной энергетики» обеспечит технологический суверенитет 

Фото из открытых источников

Технологический суверенитет и техническое развитие являются объективными показателями развития любого государства, которое ставит себе иные цели на будущее, чем превратиться в сырьевой придаток других, даже близких и дружественных государств. Однако любое технологическое развитие сопровождается увеличением потребности в электроэнергии.

В настоящее время трансформация энергетики в мире на фоне глобального потепления и стремления к отказу от использования ископаемого топлива происходит преимущественно за счет развития направлений атомной электрогенерации, гидрогенерации, солнечной и ветрогенерации. Однако накопленный в процессе проведения научных исследований опыт, касающийся последствий для климата развития этих, казалось бы, безуглеродных технологий электрогенерации, показал, что они имеют как несомненные плюсы, так и не менее значимые минусы.

Последние данные оценки воздействия гидроэнергетики на окружающую среду показали, что гидроэлектростанции вырабатывают самый вредный из парниковых газов — метан. По данным ученых, пресноводные водоемы выделяют в атмосферу 51 миллиард тонн парниковых газов в год, из которых гидроэлектростанции выделяют 3 миллиарда тонн метана.

Растворённый в речной воде или воде из водохранилища метан начинает интенсивно выделяться в атмосферу при контакте воды с гидротурбинами. Согласно данным Международного энергетического агентства, 30% глобального потепления происходит из-за метана.

Солнечная и ветровая энергетики, как и любая другая, критически зависят от погодных условий. Однако наряду с этим существует проблема переработки отходов, которая до сих пор не решена. В результате некоторые страны, сделавшие ставку на развитие солнечной энергетики, могут превратиться в свалку отработавших свой срок солнечных панелей.

Например, в Австралии аналитики прогнозируют, что к концу десятилетия ежегодно будет накапливаться до 100 000 тонн фотоэлектрических отходов, что эквивалентно списанию в утиль 1,2 ГВт панелей в год. К 2035 году прогнозируемый совокупный объем выведенных из эксплуатации панелей составит 1 миллион тонн.

В анализе также отмечено, что «сегодня панели дешевле отвезти на свалку. Это обходится в $2 за панель, тогда как переработка каждой панели будет стоить до $20. Сегодня никто не хочет брать на себя такие расходы».

Германия, входящая в пятерку ведущих стран по установленной мощности фотоэлектрических систем, также сталкивается с проблемой переработки использованных солнечных панелей. Высокозатратный и малодоходный бизнес переработки солнечных панелей и лопастей ветрогенераторов является серьёзной и до сих пор нерешенной проблемой для всех стран, сделавших акцент на развитие солнечной энергетики и ветрогенерации. 

«Ахиллесовой пятой» перехода на солнечную электрогенерацию также являются участившиеся повреждения в результате природных катаклизмов. Так, 15 марта 2024 года град разрушил солнечные панели проекта Fighting Jays Solar мощностью 350 МВт в округе Форт-Бенд, штат Техас. Такие случаи наблюдаются всё чаще. Не отличается надежностью работы и оборудование ветрогенераторов.

Учитывая, что курс на зеленую энергетику остается неизменным, возникает вопрос о необходимости разработки дополнительных технологий электрогенерации, которые были бы более надежными в работе, основаны на бестопливной технологии и при этом не зависели бы от погодных условий, а также были бы конкурентоспособными в аспекте ценообразования для потребителя.

В последние десятилетия много говорится о термоядерной энергетике, но она всё ещё далека от использования в промышленных масштабах, и сложно прогнозировать, когда это произойдет.

Появление новых наноматериалов с уникальными свойствами в 21 веке и новые знания о природе электрического тока позволяют говорить об актуальности разработки бестопливных генераторов (БТГ). В частности, оригинальное решение было найдено учёными компании Neutrino Energy Group  во главе с Holger Thorsten Schubart по созданию графеновой Neutrinovoltaic технологии генерации электроэнергии.

Известно, что графеновые пленки за счет колебаний атомов приводят к появлению "графеновых волн", т.е. к возникновению устойчивого колебательного процесса в режиме резонанса в 3D плоскости. Особенность решения Neutrino Energy Group заключается в создании многослойного полупроводникового материала из чередующихся слоев графена и кремния. Сложность изготовления такого наноматериала заключается в высоком требовании к оборудованию для нанесения строго однослойного графена на относительно большие площади, скажем, 200х300 мм. Если использовать некачественное оборудование, и графен будет нанесен в несколько слоев друг на друга, то есть между 2 слоями кремния будет находиться не 1 слой графена, а несколько, то эффективность электрогенерации значительно снизится. Это связано с электронной проводимостью графена.

Графен - это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp2 гибридизации и соединены посредством σ- и π- связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. В отличие от углерода, имеющего 4 ковалентных связи, в графене каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, при этом один электрон остается свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости, что создает избыток электронов в графене.

При нанесении нескольких слоев графена друг на друга, этот свободно доступный электрон связывается с атомом соседнего слоя. Поэтому разработка новых методов и недорогого оборудования для нанесения пленочных покрытий толщиной 1 атом является очень важной задачей, напрямую влияющей на себестоимость производства графеновых БТГ.

В настоящее время графеновые БТГ мощностью 5-6 кВт, созданные с использованием существующего оборудования, проходят ресурсные испытания, в процессе которых учёные проверяют надежность работы не только электрогенерирующего блока БТГ, но и системы управления.

Безусловно, это первый шаг на пути трансформации области энергетики во всём мире и повсеместное внедрение новой технологии - процесс длительный, но само появление Neutrinovoltaic - это реальный шанс удовлетворить растущие потребности энергообеспечения за счет чистой и безопасной энергии. И тем государствам, которые первыми освоят такие передовые технологии, гарантирован несомненный технологический приоритет в мировом энергетическом секторе.