С.Д. Варфоломеев - Новые энергетические технологии —...

Новые энергетические

технологии-новые

экономические вызовы С.Д.Варфоломеев

Институт биохимической физики,

Российская академия наук,

Химический факультет Московского

государственного университета

Таким образом, быстрое исчерпание в

будущем ресурсов обычного топлива и

опасность увеличения углекислого газа

в атмосфере настоятельно ставят перед

человечеством проблему создания

принципиально новой базы мировой

энергетики.

Времени на создание этой базы у нас

мало, по-видимому, около 100 лет.

Нобелевский лауреат Н.Н.Семёнов,1974

«Та страна, которая станет лидером в

области чистой энергетики, будет вести за

собой весь мир в новой глобальной

экономике»

«Nations everywhere are racing to develop

new ways to produce and use efficient and

clear energy. The nation that wins this

competition will be nation that leads the global

economy. I'm convinced of that. And I want

America to be that nation»

Barak Obama,2009

Oil

Proved reserves / Production per year

BP Statistical Review of World Energy,June 2013

USA 10.7

Equador 44.6

Azerbaijan 21.9

Kazakhstan 47.4

RF 22.4

Kuwait 14.0

Saudi Arabia 66.0

UAE 79.1

Libia 86.9

PR/P Years

PR P Years

USA 4200 394.9 10.7

Saudi

Arabia 36500 547 66.0

Russia 11900 526.9 22.4

Энергия ветра

Мировая выработка электроэнергии ветровыми

станциями

(в ТераВт-часах)

В Китае выработка к 2012 г. объем выработанной

электроэнергии ветровыми станциями сравнялся с

выработкой атомными станциями

Возобновляемая энергия в

России

Органические

отходы и

торф

500 млн тонн/год-ОТХОДЫ Торф 175 миллиардов тонн 350 млн тонн возобновляемого торфа в год

Получение электричества из солнечной

энергии

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

2.2 2.8

102

Global PV cumulative installed capacity

(GW)

5.3

16.2

6.99.5

23.6

40.7

132

71

3.9

SOLAR MODULE PRICING TRENDS

Прогноз показывает, что сетевой паритет для солнечных батарей будет достигнут в

США к 2015 году, а к 2020 г. стоимость электроэнергии, получаемой от солнечной

энергетики станет дешевле, чем от традиционных невозобновляемых источников

Суммарный объем производства, ГигаВатт (ГВт)

7% мировой электроэнергии

от солнечных батарей

Стоимость солнечной

электроэнергии,

$/кВт-час

Стоимость электроэнергии от газовых станций

Коммерческая стоимость электроэнергии

на угле

НТС ОАО «НК «Роснефть»

Секция по технологиям и исследованиям

«Разработка солнечных панелей нового

поколения на основе металло-оксидных

мезоструктур»

Солнечные панели из монокристаллического кремния мощностью 500 Вт на поворотном

трекере на здании ИБХФ РАН.

Солнечные панели из поликристаллического кремния мощностью 470 Вт на

трекере на здании ИБХФ РАН: вид с крыши.

Три типа солнечных панелей на крыше ИБХФ РАН: из аморфного кремния, CIGSи

тандемная панель МО СЭ/CIGS.

Биомасса

Возобновляемая энергия в

России

Органические

отходы и

торф

500 млн тонн/год-ОТХОДЫ Торф 175 миллиардов тонн 350 млн тонн возобновляемого торфа в год

Получение электричества из солнечной

энергии

Преобразование биомассы в топливо

Лигно-целлюлозные материалы

Тепловая

газификация

Анаэробный пиролиз

Анаэробная микробная

конверсия(биогаз)

Химические и

ферментативные методы

Гидролиз

Растворимые

углеводы

Этанол Бутанол

Высокооктановые

добавки

Растворение в

органической фазе

Грануляция и

структуризация

биомассы

Современное биотопливо –

комбинация химии и

биотехнологии

Биоспирты

Биодизель

Биокетали

Биоводород-биофотолиз воды

Бионефть и синтетическая нефть

Биобензин

Новое авиационное топливо

Технологии ракетного двигателя

Получение биотоплива с использованием

флеш-пиролиза один из наименее затратных способов

Пиролиз отходов,

производство бионефти

и синтетической нефти

Большое тихоокеанское мусорное пятно

Огромное скопление мусора в северной части Тихого океана между

Гавайями и Калифорнией, состоящее из пластика и других отходов.

Тихоокеанский «мусорный остров» весит примерно 3 млн. тонн, а по

площади составляет от 700 тыс. до 15 млн. км² (РИА Новости)

Био нефть(биомасса)

Синтетическое

топливо(полимеры)

Новые методы быстрого нагрева

- Микроволновое излучение

- Индукционные токи высокой

частоты

Индукционный ток

высокой частоты

Время нагрева

5-20 сек

T-скачок до 800 oC

Реактор

3

5

Продукты

дистилляции,

полученные

флэш-пиролизом

из

низкомолекулярн

ого полиэтилена.

3

6

А Б

Технологии

ракетного двигателя

Технологии ракетного

двигателя

Реактивный двигатель – новый тип

химического реактора

Jet – el –технология (производство

электричества)

Jet – syn gas Температура 800-2500 oC

Высокая скорость и

производительность

Российское космическое агентство (РКА), д.т.н. А.И. Папуша

Технологии ракетного

двигателя

Биомасса (80% воды)

Смесь воды и угля

Нефтеные отходы

Генерация синтетического газа

Попутный газ(91% N2)

Технологии ракетного

двигателя

Эффективность сгорания до 99.999 %

Реагенты топлива с большим

содержанием воды, до 80% (20)

Высокая минеральная компонента, до

80% (43)

Стабильное горение

Мобильный блок

Базовый

исполнительный модуль

Габариты 4,5х1,8х2,0 м

Электромобиль – вызов

ближайшего десятилетия

Электрический автобус

A battery-electric minibus in St Helens, England

Грузовой автомобиль

A Dairy Crest Smith's Elizabethan milk float

Шевроле Вольт –

«зеленый» автомобиль 2011

Chevrolet Volt удостоился этой чести решением жюри из

редакторов журналов на ежегодной выставке автомобилей

в Лос-Анджелесе

Электротакси в

г. Шеньчжень (Китай)

Новинка АвтоВАЗа EL LADA

Прототип «Eliica» (Япония)

Supercapacitors with

graphene electrodes – an

advanced electric energy

storage solution

–+

++

+

++

+

+

++

++

+

+

++

+

+

+

+

++

+

+

++

+

––

–

–

–

–

–

–

–

––

–

–

–

–

––

–

–

–

–

–

–

––

–

–

Graphene

+–

Electrode(cathode)

Electrode(anode)

Electroliteions

Porousdielectricmembrane

Electroliteions

Micro-level structure

Graphite "Graphene"Electrode based modification"graphene"

Graphene powder is made by Carbonlight from graphite oxide as a

mixture containing one to ten monolayers

Graphene structure

Microphotos of graphene particles

Graphene layers

Microphotos of graphene particles

containing transitional metal nanoclusters

500°С 200°С

Microphotos of graphene particles

containing Fe (a) and Zr (b) oxide nanoclusters

200°С 200°С

Congran-Institute of Biochemical Physics

120 F\ g

Накопители электрической

энергии = НОВАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Проект Конгран

АККУМУЛЯТОРЫ СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ

Высокие энергетические емкости Высокие мощности

Плотность энергии, Вт-ч/кг ячейки

Пл

отн

ост

ь м

ощ

ност

и,

Вт/к

г я

чей

ки

свинцово-кислые

свинцово-кислые,

спиральные

суперконденсаторы

высокоэнергетические

на ионах Li

Li-Me-полимерные

повышенной мощности

на ионах Li

Na/NiC12

Li-ионные повышенной мощности

Экономичность

электромобилей

. По данным «JD Power and Associates»,

владельцы машин на электротяге

тратят на топливо около $18 в месяц,

тогда как для водителей машин с ДВС

этот показатель достигает

$167 в месяц.

Электромобиль-

принципиально новая

структура энергетики

Рост потребности в электроэнергии

Стимулирование освоения

возобновляемых источников энергии

Energy for electrocars

Global Energetics,

BP Review 2013

2012

Mln tonnes

oil equivalent

Oil 4150

Coal 4000

Gas 3000

Nuclea 500

Hydro 600

Renewable 230

Распределение нефти по

продуктам переработки*

1 баррель сырой нефти (42

галлона) дает 45 галлонов

нефтепродуктов.

Их распределение

Название кол-во, доля,

галлон %

Бензин 19 42.2

Диз. топл. 11 24.4

Реакт. топл. 4 8.9

Сжиж. газ 2 2.2

Итого: авт. топл. 68.8

* U.S. Energy Information Administration (EIA) 2011.10.02.

Energy for electrocars

Oil 4150 mln tonnes

2012

67% cars

2780 Efficiency

of electro-

motor is higher

in 3-4

930 mln tones

Renewable energy can produce and cover the electricity for

electrocars in 5-7 years

Renewable energy Photoelectricity, wind 200 mln tonnes 930 mln tonnes

t = 5-7 years

e

t

ePP

0

Энерго-биотехнологические

комплексы - глобальный

вызов

Сельско-хозяйственное

производство – в высшей

степени неэффективная

отрасль энергетики

Ничтожный кпд преобразования

энергии

Высокий расход топлив

Энергозависимое производство

удобрений

Загрязнение окружающей среды

Энерго-биотехнологические

комплексы

Замкнутый цикл

конверсии углекислоты в

продукты питания.

Эффективное и

экономическое

оправданное

использование

электрической энергии

Энерго-биотехнологические

комплексы

Фитотронное культивирование растений без почвы

в условиях аэропоники

- Эффективное использование энергии

- Повышение урожайности в 4-5 раз

- Независимость от климатических условий,

непрерывное культивирование круглый год (6-15

урожаев в год)

- Безвирусное растеневодство, отсутствие

пестицидов, вредителей и болезней растений,

экологически чистые продукты

Энерго-биотехнологические

комплексы Культивирование

сельско-

хозяйственных

растений в

контролируемых

условиях без

почвы

Renewable energy

BP Statistical Review of World Energy

June 2013

years

years

ePP

e

t

e

6.2

8.3

2

92

Exponential growth during the last 20

years

Renewable energy

BP Statistical Review of World

Energy

June 2013

Mln tonnes oil equivalent

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

USA

China

Spain Germany

RF

2012

USA 50.7

mln

tonnes

China +

Hong

Kong 42.8

Germany 26

Spain 14.9

RF 0.1

Renewable energy

BP Statistical Review of World Energy

years

years

ePP

e

t

e

6.2

8.3

2

0

4.7% → 100 % Global energetics

2013 years – 4.7 %

Глобальный прогноз роста солнечной электроэнергетики (внизу) и мировые

потребности в электроэнергии (верхняя кривая)- из статьи С.Д. Варфоломеева

"Энергия - 2045", Наука и технологии в промышленности 3 (2012) с. 50.

-5 000

0

5 000

10 000

15 000

20 000

Wind Natural

gas

PV

Coal

Fuel oil

Biomass

Nuclear

Hydro

Cap

acit

y,

MW

New capacity in 2011

New capacity in 2009

De-commissioned capacity

NEW INSTALLED POWER CAPACITY IN EUROPE

IN 2009 AND IN 2011

Критические технологии и

национальные проекты

Новые поколения фотовольтаических преобразователей солнечной энергии

Топливо из органических отходов (биогаз,пеллеты,бионефть)

Накопители электрической энергии (электромобиль,солнечная и ветровая энергия,спец-цели)

Энерго-биотехнологические комплексы для производства продуктов питания

Renewable energy,waste

to fuel technologies,new

processes and new

challenges Sergey Varfolomeyev

Institute of Biochemical Physics,Russian

Academy of Sciences

Moscow State University

2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300,1

1

10

100

1 000

10 000

B

A

P

ow

er

cap

acit

y,

Gig

aw

att

s

Year

World electric power capacity

World PV capacity

TRENDS IN GROWING WORLD ELECTRIC POWER

AND PV GENERATING CAPACITY

Exponential global growth of renewable

electricity and biofuel production

2000 2005 2010 2015 2020 2025 203010

100

1000

10000

B

A

Wo

rld

Pro

du

cti

on

, m

ln t

on

nes

Year

- oil production

- production of bioethanol

and biodiesel

2000 2005 2010 2015 2020 2025 20300.1

1

10

100

1000

10000

B

A

W

orl

d e

lectr

icit

y p

rod

ucti

on

cap

acit

ies, G

Wt

Year

World electric power

production capacities

Solar photovoltaic production

capacities

where: τ = 1.5 – 2.5 years

In the next decades

the global production of

biofuels and photoelectricity

may become equal

to the world oil production

and conventional electric

power production

Renewable energy,waste

to fuel technologies,new

processes and new

challenges Sergey Varfolomeyev

Institute of Biochemical Physics,Russian

Academy of Sciences

Moscow State University

Fast exhaust in the future the resources of

usual fuels and danger of increase of

carbonic gas in an atmosphere urgently put

before mankind the problem of creation of

essentially new base for world energetics.

Time for creation of this base not enough,

apparently, about 100 years.

N.N.Semionov, 1971