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.
Получение энергии: в погоне за вечным двигателем
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.
В начале июня этого года на площадке «Сибирского химического комбината» госкорпорации «Росатом» в Томской области началось строительство первого в мире энергоблока нового поколения БРЕСТ-ОД-300 для опытно-демонстрационного комплекса. Первые МВт энергии здесь получат уже в 2026 году.
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.
Хранение энергии: литий, прощай!
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.
Передача: дорогу активной энергии
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.
Использование энергии: элементы пазла будущего
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:
1. Автономная система контроля температуры в здании BrainBox AI, которая использует прогнозы погоды для планирования тепловых условий в здании и регулирует мощность кондиционирования или отопления, экономя 20-40% энергии.
2. Система Solar Water Solutions, которая обеспечивает чистой водой до 10 000 человек, используя энергию солнца вместо дизельных генераторов. Система работает в Кении, Намибии и Индонезии, где солнца как раз много, а денег на ископаемое топливо нет.
3. Городской двухместный компакт-кар City Transformer Electric Vehicle из Израиля работает на электродвигателе, развивает скорость до 86 км/ч и умеет втягивать колеса, чтобы уменьшиться до одного метра в ширину. На стандартное парковочное место помещается четыре таких авто. Серийное производство стартует в 2023 году, а тестовые образцы можно будет увидеть на дорогах с 2022 года.
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.
16 секунд на зарядку это здорово, но какой толщины должен быть кабель чтобы передать такую мощность? А если тысяча таких авто одновременно на зарядку станет, что будет с электросетью?
Вероятно всего создадут графеновый провод толщиной три атома. 😊
наверное не за горами эра сверхпроводников охлаждаемых жидким азотом хотя бы локально на месте зарядки
Комментарий недоступен
Удивительно! Толщина в один атом. Каждый день меняется мир технологии и наша цивилизация мчится невероятной скоростью. Супер!
Никола Тесла не просто одобрил, но завещал и частично реализовал сам энергию из воздуха. Но Тесла применял эфир. А если использовать скрытое тепло воздуха, то можно создавать психрометрическую разность сухого и сильно увлажненного воздуха и действительно получать энергию из воздуха. Не просто можно, но просто получается энергия за счет термодинамического цикла Майсоценко. Но в статье нет упоминания вовсе, хотя у технологии советские корни и истоки, и мировая реализация в кондиционерах, получающих холод из тепла воздуха за счет испарения воды.