Источник энергии будущего

Основная тема выставки «Энергия будущего» была выбрана не случайно. Обеспечение человечества чистыми, безопасными и эффективными источниками энергии – одна из наиболее актуальных глобальных проблем, которая пересекается с задачей сохранения экологического равновесия. При этом можно спорить о масштабе воздействия жизнедеятельности человека на такие экологические проблемы, как глобальное потепление, однако несомненным остается тот факт, что традиционные, невозобновляемые источники энергии в виде нефти, газа, угля в обозримом будущем иссякнут, что потребует поиска новых источников. Для сохранения экологического и даже экономического баланса желательно, чтобы эти новые источники были возобновляемыми и чтобы человечество научилось максимально эффективно их использовать к моменту исчезновения традиционных энергоресурсов.

Возобновляемые источники энергии включают в себя энергию ветра, солн­ца, воды (в реках, морях и океанах), тепловую энергию Земли, энергию, хранящуюся в биологической массе... Потенциал их различен: больше всего доступной для преобразования в работу энергии часть содержится в реках, биомассе, ветре и солнечном свете. Однако солнце – основной источник энергии, поступающей на Землю, ежегодно одаривает нас более готовой к сбору энергии, объем которой в 1 600 раз больше энергетического потенциала ветровой энергии и в десятки тысяч раз превосходит потенциал энергии воды и биомассы. К слову, именно из энергии Солнца в конечном итоге черпают свою энергию ветер, вода, растения и животные.

Для Казахстана с его огромной территорией, низкой плотностью населения, обилием солнечных дней и относительно малым количеством рек именно солнечная энергетика наряду с ветровой может стать основой возобновляемой энергетики. Существующие оценки потенциала солнечной энергетики в Казахстане неоднозначны. Наиболее цитируемая цифра – 2,5 ТераВатт-часа в год, однако она значительно расходится с годовым приходом солнечной радиации на территорию страны, составляющим не менее 2 млн. ТераВатт-часов в год. Другими словами, если покрыть всю территорию Казахстана солнечными элементами с эффективностью 10%, полученной энергии с большим излишком хватит на покрытие энергетических потребностей всей планеты. Главный недостаток солнечной энергии – невозможность ее генерации в ночное время, что требует либо нахождения возобновляемых источников энергии, могущих бесперебойно работать ночью, либо поиска эффективных методов ее накопления, хранения, передачи и использования. Одно из перспективных направлений решения последней задачи – развитие водородной энергетики.

Проблемы эффективного преобразования солнечной энергии в электричество, тепло, химическую энергию газообразного водорода, а также его хранения и рационального использования изучаются в ТОО «Физико-технический институт» Национального научно-технологического холдинга «Парасат» в сотрудничестве с научными центрами США, Германии, Великобритании и Казахстана. Исследования нацелены на создание полных циклов производства – от сырьевых материалов в виде песка и кварцитов до готовых солнечных элементов и модулей, от получения водорода путем фотоэлектролиза воды до его хранения в толще специальных полимерных материалов и эффективного сжигания на топливных элементах. 

Одна из базовых технологий, разрабатываемых в институте на протяжении ряда лет, – получение и очистка кремния, основного материала солнечной энергетики и электроники, при помощи металлургических методов. Она основана на разделении молекулы диоксида кремния (SiO2) на кремний (Si) и кислород (O) в присутствии материала, называемого восстановителем. В стандартном карботермическом методе получения металлургического кремния сырьем служат относительно большие куски кварцитов, а восстановитель – смесь углеродсодержащих веществ. Это древесный и каменный уголь, уголь, щепы, нефтекокс в различных пропорциях. Недостаток – то, что подобный метод не рассчитан на восстановление кремния из сыпучих исходных материалов типа песка.

Помимо этого в карботермическом процессе в качестве побочного продукта выделяется ядовитый угарный газ (CO). Технология, разрабатываемая в Физико-техническом институте, позволяет получать кремний не только из кварцитов, но и из песка, которая использует алюминий в качестве восстановителя и образуя в качестве побочного продукта реакции высокоглиноземистый шлак. Изучается использование подобного шлака для получения глиноземистого цемента, отличающегося высокой прочностью, способностью к быстрому затвердеванию, стойкостью к агрессивным средам и огнеупорностью.

Металлургические методы, разрабатываемые в Физико-техническом институте, позволяют получать не только очищенный кремний, но и специальные кремнийсодержащие сплавы, из которых в необходимый момент можно синтезировать газообразное соединение кремния с водородом, известное как силан, один из наиболее распространенных материалов для полупроводниковой электроники, однако обращение с ним требует особых мер предосторожности. Для безопасного получения силана из сплавов и очистки до уровня, требуемого на последующих стадиях цикла, наш институт работает над созданием технологической линии совместно с компанией Siemens.

Видение института заключается в том, что на основе очищенного от примесей кристаллического кремния и силана, полученного в стенах нашего научного учреждения, будет создана научно-исследовательская линия по изготовлению так называемых гетеропереходных кремниевых солнечных элементов, известных как HITcells, достигающих 25-процент­ной эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, что в 1,5 раза превосходит эффективность стандартных кремниевых солнечных элементов. При этом, в отличие от стандартных элементов, эффективность гетеропереходных намного меньше подвергается воздействию нагревания при освещении солнечным светом. 

Еще одна полезная модификация кремния, помимо кристаллического кремния и силана, – пористый кремний, который исследователи из ФТИ используют для расщепления воды на газообразные кислород (O2) и водород (H2). Собираемый в этом процессе водород предполагается накапливать в синтезируемых сотрудниками института пленках полимерных материалов, полианилина и полипирола. Последующее использование водорода для получения электроэнергии в быту, производстве, а также для приведения в движение будущих автомобилей планируется осуществлять на топливных элементах, для исследования и оптимизации которых создана линия, позволяющая получать оксидные электролитические пленки при помощи высокомощных лазеров, подготовку для них специальных мишеней и осаждение металлических электродов. Работа таких твердо­оксидных топливных элементов основана на получении электрического тока при взаимодействии подающихся с различных сторон электролитической пленки газов водорода и кислорода и прохождении атомов кислорода сквозь электролитическую пленку. При работе автомобилей, работающих на таком принципе, в воздух выделяются не углекислый газ и вредные выхлопы, а пары воды. 

Для продолжения описанных работ и совершенствования существующих технологий Физико-технический институт набирает и воспитывает молодых специалистов из ведущих технических университетов Алматы. Хочется надеяться, что они помогут вывести работы института на более высокий уровень и внесут вклад в создание высокотехнологичных «зеленых» производств в нашей стране.

Нурлон ТОКМОЛДИН,
доктор PhD Империал Колледж Лондон, заведующий лабораторией им. Ю. Горелкинского Физико-технического института