Тесла бы одобрил: открытия, которые меняют электроэнергетику прямо сейчас

Громкие звуки для получения электричества, зарядка авто за 16 секунд, безотходный атомный реактор, а также другие перспективные исследования и разработки из этой области.

Казалось бы, природа электричества, а значит его эффективное производство, передача, хранение и использование изучены вдоль и поперек. Но ученые открывают новые способы его генерации, получают более энергоемкие материалы и находят новые физические закономерности. Смотрите сами.

Атомная электроэнергетика давно удерживает пальму первенства по эффективности получения энергии из единицы топлива. Её главные проблемы с точки зрения обывателя — сложность утилизации отработанного радиоактивного сырья и вероятность техногенных катастроф.

Особенность комплекса в том, что разработка атомщиков решит проблему утилизации топлива и предотвратит возможные аварии. Комплекс будет состоять из трех частей: модуля по производству (фабрикации/рефабрикации) уран-плутониевого ядерного топлива, энергоблока БРЕСТ-ОД-300 и модуля по переработке облученного топлива. В результате получится замкнутый ядерный топливный цикл: новое топливо будут производить здесь же из уже отработанного и постепенно откажутся от внешних поставок.

Реактор БРЕСТ-ОД-300 обеспечивает себя основным энергетическим компонентом — плутонием-239 — сам, воспроизводя его из изотопа урана-238, которого в природной урановой руде содержится более 99% (в настоящее время для производства энергии в тепловых реакторах используется уран-235, содержание которого в природе около 0,7%). Чистая энергия будущего.

В конце июля в Mercedes-Benz пообещали, что с 2025 года все новые модели компании будут электромобилями. Только вдумайтесь, через 3,5 года марка полностью откажется от разработки и выпуска новинок с двигателем внутреннего сгорания. Будущее уже наступило, и это будущее сталкивается с громким голосом скептиков и экологов: литий в чистом виде в природе почти не встречается, да и не в чистом его доступно не так много. Добыча разрушительно сказывается на экологии, есть проблемы с утилизацией батарей. А автомобильная батарея – совсем не то же самое, что для ноутбука и смартфона. Например, для Tesla Model S требуется больше лития, чем для производства 10 000 смартфонов.

Проблему могут решить графеновые суперконденсаторы, которые способны быстро накапливать и высвобождать колоссальные объемы энергии. Напомним, что графен тоже имеет советско-российские корни: в 2010 году выходцы МФТИ Константин Новосёлов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию по физике за «передовые опыты с двумерным материалом — графеном». Вещество представляет двумерную модификацию углерода толщиной один атом, поэтому его кристаллическая решетка имеет огромную площадь поверхности в компактном размере.

Работу над графеновыми суперконденсаторами ведут в лабораториях по всему миру. Например, в декабре 2020 году мюнхенские ученые опубликовали информацию о своём устройстве, которое обеспечивает плотность энергии до 73 кВт-час на кг (у литиевых 265 кВт-час на кг) и более 10 000 циклов перезарядки с сохранением 90% ёмкости (у литиевых максимум – около 5 000). Кстати, зарядить такую батарею можно всего за 16 секунд. Это далеко не предел, и исследования продолжаются.

Но главное преимущество технологии — экологичность. В производстве таких аккумуляторов (на примере Nawa) нужны только доступные в природе углерод и алюминий. Никаких редкоземельных металлов, которые сложно добывать и утилизировать.

В настоящее время среднее значение коэффициента мощности систем электроснабжения равно 0,65, а динамика за последние 20 лет показывает изменение в худшую сторону.

В российской электроэнергетической компании RUTAS, которая с 2020 года стала резидентом Инновационного центра «Сколково», отследили влияние показателя на технические потери и эффективность генерации электроэнергии.

Изменение характера нагрузки напрямую влияет на показатель коэффициента мощности системы. Развитие технологий приводит к росту потребляемой реактивной энергии, то есть той, которая не преобразуется, а возвращается обратно к источнику тока, не совершив работы.

Реактивная мощность негативно влияет на эффективность электроэнергетических систем. Представьте пятиполосное шоссе, где по каждой из полос двигается одинаковое количество транспортных средств. Только по четырем ездят автомобили, которые доставляют полезный груз — продукты, материалы, сырье для производства. А по пятой — пустые «реактивные», которые без какой-либо цели занимают целую полосу, расходуют топливо и ресурс дорожного покрытия, и за всё это платит конечный потребитель - то есть мы. Чтобы снизить бесполезное потребление ресурсов (излишнюю выработку топлива для генерации электроэнергии), нужно запретить «реактивным» участникам движения въезд на дорогу.

Именно это делает устройство RENCOMP. Оно закрывает доступ для реактивной мощности и освобождает пространство для полезной — активной энергии, которая преобразуется в свет и тепло. Как следствие, удается повысить коэффициент мощности в системе до 0,96, снизить технические потери электроэнергии на 23% и излишний расход топлива для генерации электроэнергии на 14%. Что в свою очередь добавляет ещё один важный момент — защита экологии. Применение RENCOMP позволяет сократить количество выбросов парниковых газов тепловыми электростанциями на 14%.Отличная «прививка» для изношенной инфраструктуры в России, которая сегодня встретилась с повышенной потребностью в электроэнергии как на производстве, так и в быту.

Почти все значимые инновации в использовании энергии так или иначе замыкаются на искусственный интеллект, локальную генерацию электротранспорт. Если заглянуть в топ главных изобретений 2020 года по версии журнала Time, то здесь выделяются:

Из российских инноваций выделим разработку самарских ученых: они в марте этого года представили установку, которая позволяет получать электричество из громких звуков и может использоваться в выхлопных системах двигателей и компрессоров. Так, звук мощностью примерно 20 Вт раскручивает турбину до 13 тысяч оборотов в минуту, что дает около 2 Вт энергии, а шумовое загрязнение среды снижается.

Нельзя сказать, что эти разработки поражают воображение революционностью. Важнее тут массовость и повсеместность. Эти частички пазла меняют привычную картину мира в разных точках планеты, помогают удовлетворить растущие потребности людей в электроэнергии без вреда для природы и сократить количество выбросов СО2.

#технологиибудущего #технологии #энергия #электроэнергетика