Солнечные батареи нового поколения и «зеленый» водород — как российские ученые решают проблемы экологии

Все чаще мы слышим о необходимости сокращать использование традиционных источников энергии и тем самым снижать негативное воздействие на окружающую среду. Об исследованиях ученых в области экологии читайте в материале Минобрнауки России.

Золошлаки снизят потребность в импорте глинозема

На фото: концептуально-логическое описание потенциала использования золошлаков ТЭС для производства металлургического глинозема

Сегодня в России работают около 100 тепловых электростанций (ТЭС), которые используют или ранее использовали уголь для производства тепловой и электрической энергии, что составляет до 22% всей электроэнергии России. При сжигании угля на ТЭС образуются твердые отходы (зола, шлак, золошлаковая смесь), так называемые золошлаки. Объемы накопленных золошлаков превышают 1,5 млрд тонн, а ежегодный прирост составляет порядка 20 млн тонн.

Ученые Института геохимии и аналитической химии (ГЕОХИ) им. В.И. Вернадского РАН предложили использовать золошлаки в качестве альтернативы бокситам при производстве глинозема — ключевого сырья для получения металлического алюминия. В перспективе это позволит снизить потребность в импорте глинозема примерно на 15-20%.

«Использовать классический щелочной способ Байера при переработке зол невозможно, так как, помимо алюминия, в раствор перейдет весь кремнезем, которого в золе может быть до 65%. Мы проанализировали наиболее перспективные кислотные методы, которые используются для такого типа сырья — солянокислотный и бисульфатный. Показали, что образцы оксида алюминия, полученные экспериментально, ничем не отличаются от выпускаемых на данный момент промышленностью. Помимо глинозема, из золошлаков возможно попутно получать другие продукты: коагулянты, чугун, концентраты редкоземельных металлов и аморфный диоксид кремния. Эти продукты имеют высокую добавленную стоимость и могут существенно увеличить рентабельность всей технологической схемы», — объясняет кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории сорбционных методов ГЕОХИ РАН Дмитрий Валеев.

Детально ознакомиться с выводами исследователей можно в журнале Journal of Cleaner Production.

Будущее солнечной энергетики

Что касается солнечной энергии, элементы для нее (фотовольтаики) создаются на основе кремния. Однако современные кремниевые солнечные батареи приближаются к пределу своих возможностей по преобразованию энергии,поэтому научным группам по всему миру приходится искать новые материалы. Так, специалисты Санкт-Петербургского электротехнического университета (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ» впервые синтезировали при относительно низких температурах сложный оксид со структурой минерала пирохлора. В этом материале в зависимости от параметров синтеза можно значительно изменить концентрацию входящих в него химических элементов для достижения наиболее эффективных полупроводниковых характеристик.

«Мы установили тенденцию, что при увеличении количества атомов железа и висмута в структуре пирохлора, а также при увеличении размера частиц-агрегатов формирующегося порошка уменьшается значение ширины запрещенной зоны материала. Данный факт важен с точки зрения анализа перспектив применения полученного материала в качестве поглощающего и проводящего элемента в неорганических солнечных батареях, устройствах электронной техники и фотокатализе, так как указывает на возможность «настраивать» ширину запрещенной зоны, варьируя состав соединения и размер частиц-агрегатов», — пояснил ассистент кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Макарий Ломакин.

Результаты работы опубликованы в журнале «Journal of Alloys and Compounds».

«Зеленый» водород

В Мордовском государственном университете (МГУ) им. Н.П. Огарева работают над созданием топлива нового поколения. Это технология получения водорода из простых, доступных и легко модернизируемых катализаторов вместо привычных дорогих — платины и палладия. По словам ученых, разработка позволит перейти к экологически чистым видам топлива, которые не загрязняют атмосферу.

«Вектор будущего развития — декарбонизация и «озеленение» всех производств. Аккумулирование электрической энергии в водородном цикле с целью последующих поставок водорода как энергоносителя на экспортные рынки — одно из многообещающих направлений развития рынка энергетики. В рамках стратегического проекта «Материалы нового поколения и энергосбережения» программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» наш университет уже сейчас работает над созданием экологичных технологий модерирования молекулярного водорода и технологической системы долгосрочного накопления электрической энергии в водородном цикле», — комментирует ректор МГУ им. Н.П. Огарева Дмитрий Глушко.

Технологии распределенной генерации

Активно развитием зеленой энергетики занимаются и в Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) имени Гагарина Ю.А. Там ученые создают технологии распределенной генерации для электроснабжения удаленных и изолированных регионов, в том числе на основе возобновляемых источников энергии. В настоящее время они развивают концепцию построения распределенной системы электроснабжения (СЭС) на базе источников энергии различной физической природы, изучают различные варианты построения гибридных СЭС и разрабатывают алгоритмы адаптивного управления потоками энергии.

«Одним из направлений развития ветроэнергетики является увеличение единичной мощности агрегатов. Нами предложена альтернативная концепция, предусматривающая модульный подход к построению ветроэнергетических установок. Этот подход позволяет оперативно решать задачу автономного электроснабжения путем установки необходимого количества серийно выпускаемых модулей, суммирования потоков энергии устройствами силовой электроники и обеспечения заданного качества электроэнергии у потребителей в условиях нестабильного характера энергии ветра. Мультимодульная ветроэнергетическая установка может быть удачно встроена в архитектурную композицию зданий», — рассказывает профессор кафедры «Электроэнергетика и электротехника» СГТУ им. Гагарина Ю.А. Сергей Степанов.