Перспективные источники энергии

Вопросы энергобезопасности достаточно остро встали перед человечеством в начале XXI века. Установившиеся высокие цены на углеводороды стимулируют продолжение работ по поиску альтернативного сырья, генерирующего энергию. Поиски альтернативного горючего ведутся во многих странах, каждая из которых использует наиболее доступное и дешевое сырье. Бразильцы, например, добавляют в бензин этанол, произведенный из сахарного тростника, японцы — полученный из риса, североамериканцы — из кукурузы. А вот в Саудовской Аравии ведутся опыты по созданию автомобильного топлива из фиников. В ходе экспериментов из 1 т фиников удалось получить 300 л этанола; опыты признаны успешными.

Среди других альтернативных источников энергии пристальное внимание, как и прежде, уделяется солнечной энергии. Эксперты утверждают, что к 2010 г. производство солнечных батарей, как бы к нему ни относились сегодня, станет крупным бизнесом. К тому времени у ряда компаний появятся заводы с десятком производственных линий, каждая из которых сможет ежегодно выпускать солнечные элементы общей емкостью 100 МВт. Это составляет 1000 МВт в год на завод, что примерно эквивалентно мощности тепловой или атомной электростанции, так что год работы одного такого завода исключает необходимость в строительстве целой электростанции. Каждый день эти заводы будут производить столько солнечных элементов, сколько их было выпущено за весь 1980-й год. И это будут настоящие заводы-гиганты: в 200 раз крупнее, чем типичный завод по производству 300-мм полупроводниковых пластин, площадь которого часто превышает 10 тыс. кв. м.

В отличие от микросхем, солнечные элементы нельзя уменьшать в размерах без снижения КПД, поэтому таким заводам потребуется много кремния. По оценкам экспертов, на каждый ватт выделяемой мощности уходит 7 г кремния, а это значит, что 1000-МВт завод будет потреблять 7000 т обработанного кремния в год, или 1 т в час. Сейчас индустрия солнечных панелей страдает от дефицита обработанного кремния, но несколько химических компаний в Китае, Японии и Корее наращивают мощности, так что к концу 2008 г. проблема дефицита должна быть преодолена.

Министерство энергетики США спонсирует некоторые исследования, направленные на поиск способов преодоления так называемого 40%-ного барьера для КПД солнечных элементов. В начале прошлого года Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (http://www.lbl.gov) сообщила, что элементы, изготовленные из полупроводника нового типа — цинка-марганца-теллура (ZnMnTe) с добавлением атомов кислорода, способны преобразовать в электричество 45% энергии солнечного света. Sharp Solar, одна из крупнейших компаний отрасли, продемонстрировала солнечный элемент с КПД 36%. Этот элемент содержит концентратор — тонкую линзу, фокусирующую солнечный свет, но изготовлен не из кремния, а из элементов III и V групп Периодической таблицы Менделеева.

Сегодня у лучших коммерческих кремниевых солнечных элементов КПД достигает 22%, а «потолок» его значений, по утверждению физиков, составляет 26%. Компания Boeing в своей лаборатории Spectrolab (http://www.spectrolab.com), которая изготавливает прожекторы и устройства для моделирования солнечного облучения, разработала элемент, способный преобразовать в электричество почти 41% энергии падающего на него солнечного света. Boeing преодолела барьер, соединив две технологии — собственно солнечный элемент и слой концентраторов. К тому же сам солнечный элемент состоит из нескольких материалов: кремниевые элементы взаимодействуют лишь с ограниченной частью солнечного спектра, а дополнительный слой арсенида галлия или других материалов расширяет эту полосу. Однако так называемые многопереходные солнечные элементы дороже в производстве, и многие компании считают, что эти расходы сводят на нет экономию, получаемую от повышенного КПД.

Химические источники тока

Развитие мобильных технологий заставляет разработчиков уделять больше внимания питанию портативных устройств. Сегодня в этом сегменте рынка практически безраздельно господствуют химические источники тока — гальванические элементы и аккумуляторы. Так, ионно-литиевые аккумуляторы используются в самых разных портативных устройствах, в том числе в ноутбуках, сотовых телефонах, карманных ПК и мр3-плеерах. При этом производители всеми силами пытаются повысить плотность хранения энергии, увеличив тем самым время автономной работы гаджетов. Однако высокая плотность энергозапаса может провоцировать внутреннее короткое замыкание и последующее возгорание источника питания. Известно, что с проблемой перегрева ионно-литиевых аккумуляторов в прошлом году столкнулась корпорация Sony (http://www.sony.net): в общей сложности ей пришлось отозвать 9,6 млн батарей, которые поставлялись вместе с ноутбуками таких производителей, как Apple, Toshiba, Fujitsu, Sharp и Acer.

Японская компания Matsushita Electric Industrial, выпускающая продукцию под торговой маркой Panasonic (http://www.panasonic.co.jp), сообщила о разработке ионно-литиевых аккумуляторов нового типа. Утверждается, что данные батареи по сравнению с обычными более безопасны в использовании, поскольку защищены от перегрева и воспламенения. Новые аккумуляторы Matsushita Electric помимо полиолефинового изолятора содержат дополнительный слой, устойчивый к повышенной температуре. Именно благодаря этому слою снижается вероятность перегрева и воспламенения источника питания. Производство ионно-литиевых аккумуляторов нового типа планируется начать в текущем году. Правда, такие батареи будут дороже обычных и потому на первом этапе найдут применение преимущественно в высококачественных бытовых и компьютерных устройствах.

Кстати, Sony в настоящее время предлагает заменить ионно-литиевые аккумуляторы в ноутбуках на ионно-литиевые полимерные, в которых литий входит в состав полимерного геля. Такие батареи не способны генерировать столь большой ток, как ионно-литиевые, но теперь это считается плюсом: они не вызовут пожара в случае внутреннего короткого замыкания. До сих пор полимерные батареи не могли обеспечить такого срока непрерывной работы, который требуется производителям и пользователям. В 1997 г. Mitsubishi поместила ионно-литиевую батарею в свой ноутбук Pedion, который оказался неудачным. Этот ноутбук отличался несколькими конструктивными новшествами — он был тоньше других и впервые размещался в блестящем металлическом корпусе, — но стоил почти 6 тыс. долл., и в нем имели место некоторые проблемы с механикой. Конструкторам всегда нравились ионно-литиевые полимерные батареи, несмотря на связанные с ними трудности, так как гель может заполнять все пустоты внутри устройства.

Ряд компаний откликнулся на опасность ионно-литиевых батарей, предлагая модели без лития. Например, Zinc Matrix Power (http://www.zmp.com) и PowerGenix (http://www.powergenix.com) анонсировали цинковые батареи для ноутбуков и других устройств. Zinc Matrix обещает начать выпуск таких батарей в этом году.

В начале нынешнего года компания Boston-Power (http://www.boston-power.com) сообщила о значительных успехах в совершенствовании конструкции ионно-литиевых аккумуляторов для ноутбуков. Новые батареи Boston-Power, получившие название Sonata, будут иметь ряд преимуществ по сравнению с обычными аккумуляторами. В конструкции этих источников питания, как утверждают в Boston-Power, применяются такие инновационные решения, как особые прерыватели тока, специальные вентиляционные клапаны, регулирующие давление, и новые плавкие предохранители. Разработчики утверждают, что при подзарядке аккумуляторы Sonata набирают 80% емкости за 30 мин, что по крайней мере вдвое быстрее, чем у обычных батарей. Кроме того, эти источники питания для ноутбуков не будут требовать замены в течение примерно трех лет. Сейчас же, как заявляют в Boston-Power, большинство владельцев портативных компьютеров вынуждены приобретать новые аккумуляторы ежегодно. Первые ноутбуки с батареями Sonata должны появиться в продаже летом нынешнего года. Кстати, аккумуляторы Boston-Power не требуют изменений в конструкции самих портативных компьютеров и соответственно могут использоваться в существующих моделях. О стоимости батарей Sonata, разрабатывавшихся при поддержке специалистов НР, пока ничего не сообщается.

Кстати, в ближайшее время могут появиться и очень необычные зарядные устройства, способные передавать энергию по беспроводной связи. Система беспроводной передачи энергии, разрабатываемая специалистами компании Fulton Innovation, получила название eCoupled (http://www.ecoupled.com). Технология основана на использовании индуктивной связи. Система eCoupled способна подстраиваться под различные конфигурации, адаптироваться к пространственным изменениям и динамически настраивать резонанс между источником и получателем энергии. Благодаря этому потери, связанные с передачей энергии, по заявлениям разработчиков, не превышают 2%. Другая особенность системы eCoupled заключается в том, что с ее помощью можно передавать не только энергию, но и информацию. Взаимодействуя с питаемыми устройствами в режиме реального времени, зарядное устройство на базе технологии eCoupled может получать сведения о типе аккумулятора, его возрасте и емкости. Эти данные затем могут быть использованы для оптимизации процесса подзарядки. Коммерциализацией методики eCoupled вместе с Fulton Innovation занимаются компании Herman Miller, Motorola, Visteon и Mobility Electronics. Например, фирма Visteon уже летом нынешнего года планирует начать продажи автомобильного зарядного устройства на основе технологии eCoupled. Посредством этого устройства пользователи смогут заряжать батареи мобильников Motorola, портативные мр3-плееры Apple iPod и так далее. Стоить беспроводное зарядное устройство Visteon будет меньше 100 долл. Правда, его владельцам также придется приобрести специальные адаптеры для своих гаджетов, поскольку на рынке пока нет оборудования со встроенной поддержкой eCoupled.

Портативные компьютеры на водороде

О топливных элементах для портативных устройств начали говорить столь давно, что ряд пользователей, еще не попробовав, уже успел разочароваться в этой технологии. Так, очередные обещания скорого приближения эры топливных элементов прозвучали в конце прошлого года от японской компании Casio Computer (http://www.casio.co.jp), хотя, по имеющейся информации, разработанные в Casio топливные элементы уже в то время были готовы к массовому применению. Разработка коммерчески выгодных зарядных устройств на топливных элементах ведется во многих компаниях на протяжении последнего десятилетия, и сейчас некоторые из разработчиков сообщают о планах начать массовое производство топливных элементов. Прототип топливной ячейки Casio был продемонстрирован на ноябрьской выставке Fuel Cell Seminar 2006 (http://www.fuelcellseminar.com) в Гонолулу (США). Размеры ячейки составили 27,2x46x2,8 мм. В качестве топлива в прототипе используется метанол.

Если верить утверждению крупнейшего игрока мобильного бизнеса компании Nokia (http://www.nokia.com), топливные элементы в качестве аккумуляторов для сотовых телефонов отделяет от нас какая-то пара лет. Впрочем, уже сегодня интересных решений и успешных промышленных наработок довольно много.

В конце прошлого года корпорация Samsung Electronics (http://www.samsungelectronics.com) объявила о создании топливного элемента для ноутбуков энергоемкостью 1200 Вт.ч. Он разработан совместно с Samsung SDI и Samsung Advanced Institute of Technology и применяется в ноутбуках модели Samsung Sense Q35. В предположении, что портативный компьютер работает 8 ч в день пять дней в неделю, запаса энергии топливного элемента должно хватить на месяц. Блок питания располагается в подставке для ноутбука; тем не менее вся конструкция остается мобильной. Инженеры Samsung Electronics утверждают, что удельная емкость источника составляет 650 Вт.ч/л, что почти вчетверо превышает показатели конкурирующих устройств. Еще одно достоинство новой системы на базе топливного элемента — пониженный уровень шума, такой ноутбук работает тише обычного. В топливных элементах Samsung Electronics применяется оригинальная технология генерирования электроэнергии с использованием химической реакции окисления водорода. Корпорация разработала также малогабаритный топливный элемент, которому 100 мл топлива хватает на 15 ч непрерывной работы. Вице-президент компьютерного отделения Samsung Electronics Ким Хон Су акцентировал внимание на том, что разработка на год опережает коммерческие топливные элементы для ноутбуков и что к концу 2007 г., когда будут удовлетворены все требования стандартов безопасности, компания возглавит усилия по продвижению топливных элементов на рынок.

Японская корпорация Toshiba (http://www.toshiba.co.jp) на выставке Ceatec 2006 продемонстрировала несколько портативных устройств с питанием от прямых метанольных топливных элементов (DMFC, Direct Methanol Fuel Cells). Напомним, что в таких элементах электричество получается в результате химической реакции между кислородом и метанолом на специальной каталитической мембране. Для портативных устройств топливные элементы DMFC удобнее водородных, так как заправлять элементы жидким спиртом проще, чем газом. В имеющихся прототипах для заправки используются герметичные картриджи со спиртом, учитывая, что сам по себе метанол ядовит. На выставке Ceatec 2006 корпорация Toshiba показала прототипы ноутбука и портативного медиацентра с метанольными топливными элементами.

Компания MTI MicroFuel Cells (http://www.mtimicrofuelcells.com) продемонстрировала прототип топливного элемента DMFC-типа, ориентированного на использование в военной сфере. Особенность элементов MTI MicroFuel Cells заключается в отсутствии традиционного насоса, собирающего сгенерированную в ходе реакции воду и доставляющего ее к аноду для получения раствора метанола нужной концентрации. За счет этого уменьшаются габариты и масса топливного элемента. Прототип элемента, продемонстрированный представителям информационного бюро Научно-исследовательской лаборатории ВВС США, получил название Mobion-30M. По заявлениям разработчиков, новинка способна выдавать до 600 Вт.ч энергии на одной заправке метанолом. Выходная мощность в среднем составляет 30 Вт (около 100 Вт в пиковом режиме). Предполагается, что военные будут использовать топливные элементы MTI MicroFuel Cells в качестве источников питания для терминалов спутниковой связи. По сравнению с обычными батареями метанольные элементы обеспечат выигрыш в весе и эффективности. Так, элементы Mobion-30M в комплекте с двумя дополнительными картриджами теоретически увеличат время автономной работы портативных устройств в два раза по сравнению с батареями эквивалентной массы. Впрочем, сроки массового производства элементов Mobion-30M пока не уточняются.

Компания Maxell (http://www.maxell.co.jp) также разработала новый источник питания на основе топливного элемента. Поставщиком энергии в представленном устройстве служит топливный элемент, работающий на водороде. При этом сам водород выделяется в результате реакции активированного алюминия с обычной водой. По заявлениям разработчиков, 1 г алюминия достаточно для генерации 1,3 л водорода при комнатной температуре. Плотность хранения энергии составляет 280 мВт/см2, что примерно в пять раз выше аналогичного показателя для топливных элементов DMFC-типа. Выходная мощность источника питания Maxell достигает 10 Вт, допускается замена картриджей с алюминием и водой. Предполагается, что устройства, выполненные по технологии Maxell, будут использоваться для питания карманных гаджетов или портативных компьютеров. Продемонстрированный прототип имеет размеры 160х100×60 мм и массу около 920 г. В перспективе Maxell надеется выпустить модификацию, которая будет на 70% компактнее.

На Форуме Intel для разработчиков IDF 2006 компания UltraCell (http://www.ultracellpower.com) продемонстрировала топливный элемент RMFC-типа (Reformed Methanol Fuel Cell), получивший название XX25. Источник питания XX25 предназначен прежде всего для военной отрасли. В топливном элементе применяется преобразователь фирменной конструкции, обеспечивающий выработку водорода из высококонцентрированного раствора метанола. Подачу топлива регулирует микроконтроллер, управляющий насосом. По заявлениям разработчиков, одного резервуара с раствором метанола достаточно для питания ноутбука в течение двух рабочих дней. Кстати, конструкция топливного элемента допускает горячую замену резервуаров, так что подключенное к источнику питания оборудование может работать постоянно. Элемент UltraCell XX25 обладает повышенной прочностью, устойчивостью к внешним воздействиям и может эксплуатироваться в неблагоприятных условиях, например, при низких температурах или сильной запыленности. При этом новинка значительно легче аналогичных по мощности аккумуляторных батарей, предназначенных для военного использования.

Фото

Топливный элемент XX25.

Топливный элемент компании Enerage (http://www.enerage.com) имеет весьма редкую для подобных устройств особенность — универсальность. Его можно заправлять метаном, бутаном, метанолом, этанолом и другими углеводородами. Как известно, большинство топливных элементов для портативной электроники снабжено мембраной, способной вырабатывать электрический ток только из метанола. Топливный элемент Enerage работает по принципу прямого окисления. Он смешивает воздух с углеводородом, и когда эта смесь вступает в контакт с мембраной, в ней высвобождаются электроны. В результате реакции образуются также вода и углекислый газ. Возможность использовать разные виды топлива достигается благодаря тому, что топливный элемент (и форсунка топливного резервуара) позволяет регулировать топливно-воздушную смесь. Например, если резервуар заполнен метаном, в смесь будет подаваться одно количество воздуха, а если этанолом — другое. Однако Enerage придется преодолеть одну серьезную техническую проблему: температура внутри топливного элемента достигает 500—600ºС, и это вряд ли понравится пользователям портативных устройств. Но в компании уверяют, что ограничение тепловыделения и понижение температуры — это инженерная задача, которая разработчикам вполне по плечу.

Новые подходы к созданию топливных элементов

Многие эксперты оптимистично подчеркивают, что до широкого использования новых источников энергии даже в повседневной жизни ждать осталось совсем недолго, тем более что работы над конструкцией перспективных топливных элементов не прекращаются. Так, ученые из Принстонского университета (http://www.princeton.edu) создали новый способ управлять количеством вырабатываемой топливными элементами энергией. Предложенная для этого схема основана на увеличении или уменьшении количества газа в системе. Ранее такой подход, традиционный для двигателей внутреннего сгорания, считался неприменимым для топливных элементов. В разработанной схеме контроль количества поступающего в реакционную камеру водорода основан на изменении объема камеры, причем для этого используется вода, которая получается в ходе реакции водорода и кислорода (эта реакция применяется в топливных элементах для выработки электричества). Часть воды, полученной в реакции, собирается на дне реакционной камеры под действием гравитации, а другая часть выводится во внешний бак. При увеличении подачи водорода в камеру его давление вытесняет воду со дна во внешний бак, и наоборот. Таким образом, объем реакционной камеры увеличивается и уменьшается в зависимости от объема поданного водорода. Вода на дне реакционной камеры служит также для поддержания влажной среды, необходимой для проведения реакции. Благодаря такому конструкционному решению разработчикам из Принстона удалось решить одну из проблем топливных элементов. Множество каналов для подвода газов и отвода воды, применяющихся в традиционных топливных элементах, иногда забиваются сконденсировавшейся влагой, что приводит к неэффективной и неравномерной выработке энергии. Помимо этого, вода на дне реакционной камеры не позволяет газам покидать камеру до того, как они прореагируют между собой. Это, по утверждению ученых, позволяет добиться почти 100%-ной конверсии топлива вместо традиционных 30—40% и исключить из конструкции дорогостоящую и большую по размеру систему рециркуляции газов.

А вот исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (http://www.ucla.edu) создали кристаллический материал, который способен удерживать в своих порах в три раза больше водорода, чем все существовавшие до этого материалы. При полном насыщении образца водородом содержание газа в его порах составляет 7,5% по массе — однако такого результата удалось добиться лишь при температуре 77 К (-196°С). Своей следующей задачей ученые называют достижение тех же результатов при температурах от 0 до 45°С, что позволит применять такие материалы для обеспечения водородом автомобилей, мобильных телефонов и других устройств, получающих энергию от топливных элементов. Стоит напомнить, что в начале 1990-х гг. изобрели материалы, названные металлоорганическими структурами (MOF), которые получают из вполне доступных веществ — оксида цинка и терефталата. Внутренняя структура MOF образована очень маленькими соединенными между собой стержнями, благодаря чему кристаллы имеют большую удельную поверхность. Нанометровые размеры пор кристаллов позволяют заключать в них различные газы, что облегчает их хранение и транспортировку. Помимо хранения газа, внутри пор металлоорганических структур можно проводить синтез полимеров. Малый размер пор позволяет четко контролировать свойства получаемых макромолекулярных соединений.

Еще одна интересная новость — в ближайшем будущем ферменты оксидоредуктазы, возможно, смогут заменить дорогие платиносодержащие катализаторы в водородных топливных элементах. Ученые из Оксфордского университета использовали фермент для катализа окисления водорода до воды в безопасной невоспламеняющейся смеси, содержащей всего 3% (по объему) водорода. Водородные топливные элементы позволяют получать электричество за счет реакции кислорода с водородом. Этот способ получения энергии можно считать «зеленым» только в том случае, если водород получается не за счет нефти или других природных источников углеводородов. Энергетические элементы такого типа пока не могут обходиться без катализаторов на основе драгоценных металлов. Подкласс оксидоредуктаз — ферменты гидрогеназы также способствуют окислению водорода, причем эффективнее, чем катализаторы на основе платины. К сожалению, большинство этих ферментов инактивируется в присутствии даже следовых количеств кислорода. Окисление водорода протекает в топливном элементе, который состоит из графитового анода, модифицированного устойчивой к кислороду гидрогеназой, и графитового катода, модифицированного лакказой грибного происхождения, погруженных в водный раствор электролита в атмосфере, содержащей 3% водорода. Гидрогеназа, окисляющая водород до протона, должна создавать достаточный электрический ток для восстановления кислорода.

Исследователи из Оксфорда изучили ферменты гидрогеназы, выделяемые из водородоокисляющих бактерий семейства knallgas. Эти оксидоредуктазы устойчивы к кислороду и другим газам, действующим как каталитические яды для традиционных платиновых катализаторов. Ученые отмечают, что обнаружение гидрогеназы, способной окислять водород, находящийся в газовых смесях в весьма разбавленном состоянии, воодушевило их проверить, насколько реально создание топливного элемента, работающего на безопасной смеси водорода и воздуха. Эксперты также подчеркивают, что исследование впервые объединяет возможности каталитической системы природного происхождения с практически значимыми экспериментальными условиями. Все это делает более доступной экологически чистую водородную энергетику.

Японская компания Kurita Water Industries (http://www.kurita.co.jp) предложила использовать в топливных элементах метанол, находящийся в твердом состоянии. Первые образцы «сухого горючего» были показаны на выставке Expo 2007. Основная область специализации Kurita Water Industries — оборудование для водоочистки. Накопленный опыт позволил специалистам компании создать твердый метанол с помощью технологии решетчатых структур, применяемой в водоочистных установках. По мнению компании, твердый метанол представляет собой безопасную альтернативу жидкому метанолу для топливных элементов. Суть технологии решетчатых структур заключается в том, что «гостевой компаунд» (в данном случае метанол) удерживается в твердом состоянии за счет «принимающего компаунда». Известно, что жидкий метанол легко воспламеняется и токсичен, поэтому в топливных элементах приходится применять прочные картриджи для хранения и транспортировки метанола (а перевозка метанола авиатранспортом вообще запрещена). Новая технология позволит преодолеть эти ограничения.

Первые сведения о разработках Kurita были опубликованы еще в октябре 2005 г.; тогда для «включения» элементов была нужна вода. Показанные в этом году прототипы обходятся без воды: достаточно поместить сухой гранулированный материал в топливный элемент, как начинается выработка электроэнергии. По плотности энергии твердый метанол примерно вдвое уступает своему жидкому аналогу, зато не требует громоздкого картриджа. С учетом этого показатели двух видов топлива становятся сопоставимыми. Первые серийные продукты (по всей видимости, это будут устройства, позволяющие пополнить заряд встроенной батареи мобильного телефона) ожидаются на рынке летом этого года. Перспективные планы компании включают создание компактного источника, по размерам не превышающего карточку памяти SD. Такие «батарейки» будут вставляться непосредственно в мобильные телефоны.