Возобновляемые источники энергии сегодня активно развиваются во всем мире, интерес к такому виду генерации энергии достаточно высокий. Не исключено, что к привычным нам ВИЭ вскоре добавится еще один — получение чистой энергии буквально из воздуха, и у него даже есть название — гигроэнергетика (от греческого hygros — влажный). Звучит фантастически, но насколько это реально на практике?
Неожиданное открытие
Все дело в том, что специалисты Массачусетского университета в Амхерсте (UMass Amherst), работающие под руководством профессора Цзюнь Яо (Jun Yao), опубликовали статью, в которой речь идет об эффекте генерации воздуха в нанопористых материалах для устойчивого получения энергии из влажности.
В частности, исследователи отмечают, что «влажность воздуха — это огромный устойчивый резервуар энергии, который, в отличие от солнечной энергии и ветра, доступен постоянно. Однако ранее описанные технологии сбора энергии из влажности воздуха либо не являются непрерывными, либо требуют уникального синтеза или обработки материалов. Это препятствует масштабированию и широкому внедрению».
Ученые обратили внимание на общий эффект непрерывного сбора энергии из влажности воздуха, который может быть применен к широкому спектру неорганических, органических и биологических материалов. Общей особенностью этих материалов является то, что они имеют соответствующие нанопоры, предназначенные для того, чтобы молекулы воды в воздухе могли проходить сквозь них и подвергаться динамическому адсорбционно-десорбционному обмену на границе пор, что приводит к зарядке поверхности.
Иностранные эксперты полагают, что проведенная ими работа открывает широкие возможности для исследования устойчивой электроэнергии из воздуха.
Процесс известный, но пока неуправляемый
«Способ получения чистой энергии из воздуха вызывает множество вопросов, — констатирует научный руководитель Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Сергей Алексеенко. — Я специально поговорил с нашим сотрудником, доктором наук, который занимается нанотрубками и порошками. Он отметил, что обнаружен похожий эффект, когда слой порошка из наночастиц разлетается при снижении давления. Это объясняется тем, что образуется электрический заряд, и он расталкивает эти частицы. В целом, генерация электричества в атмосфере — довольно известный процесс. Например, те же молнии, другое дело, что этот процесс неуправляемый.
Специалисты Массачусетского университета говорят, что каждая нанопроволока в их устройстве настолько узкая, что молекула воды толкается внутри, придавая материалу небольшой заряд. Но проволока не имеет внутренностей, внутреннее пространство имеет нанотрубка. Возникает путаница понятий.
Кроме того, зарубежные ученые отмечают, что есть положительное и отрицательное притяжение с двух концов проволоки, но нанопроволоки обычно аномально проводящие. Сейчас ученые находятся на стадии демонстрации и объяснения физического явления. По идее, должно быть так: есть некоторое устройство из нанопроволок или нанотрубок, в него как-то входят молекулы воды и где-то они выходят. Для того чтобы была генерация электричества, молекулы воды должны выходить с меньшей энергией, чем на входе. Тогда появляется разность, из которой возможна генерация электрической энергии. Иностранные коллеги в принципе не поясняют, как происходит генерация — вошла молекула воды в наноструктуру, а что с ней происходит дальше, не описывается».
По мнению специалистов Института теплофизики СО РАН, молекула воды при таких размерах проволоки (одного порядка) должна просто где-то закрепиться на стенках. Если прогонять влажный воздух через устройство, для этого нужно затрачивать энергию, скажем, использовать насос или вентилятор, хотя, возможно, и ветер. В данном случае речь вообще не идет о балансе энергии. Можно провести аналогию с тем, что произошло с термоядерным синтезом: в принципе, он может работать, но до сегодняшнего дня затраты на получение термоядерной энергии были больше, чем извлекаемая энергия. Это важный аспект, без учета которого не о чем разговаривать с точки зрения энергетики.
«Кроме того, американские ученые даже не дали определение, что здесь является возобновляемым источником энергии — сама влага или что-то другое. Можно догадаться, откуда берется влага и что она испаряется за счет солнечного излучения, можно это назвать источником для возобновляемой энергии, — продолжает Сергей Алексеенко. — Таким образом, возникают вопросы как в части самого физического эффекта, так и баланса энергии, что необходимо для оценки практического применения.
Вопросы к заманчивой идее генерации энергии из воздуха:
1. На каком именно этапе взаимодействия молекулы воды и наноструктуры происходит генерация?
2. Баланс энергии: сколько усилий нужно приложить, чтобы прогнать влажный воздух через наноструктуру?
3. Каковы затраты на производство и закупку сырья?
4. Как этот вид генерации может влиять на экологию?
Процессов электризации великое множество, включая атмосферные явления. То есть, возможно, разговор сводится не к извлечению энергии, а к тому, что может происходить электризация, которая получается и тогда, например, когда мы проводим расческой по волосам. При этом для получения эффекта мы можем затрачивать больше энергии, чем производить. Тогда выгоды никакой нет.
Американские коллеги планируют в следующем году сделать пилотный образец, который будет генерировать количество энергии, достаточное для того, чтобы обеспечить семью. Если бы это устройство было, тогда можно было и про экономику сказать, и про коэффициент полезного действия. А пока это ничем не подкрепленные слова.
Можно сделать вывод, что в ближайшее время навряд ли появятся новые типы ВИЭ. Конечно же, будут развиваться солнечная, ветряная, геотермальная генерации, которые давно известны и которые еще не освоены в достаточной мере.
Открытие ученых Массачусетского университета, если оно будет подтверждено другими исследователями, может быть действительно интересным, ведь про атмосферное электричество говорят давно. Еще Тесла хотел получать энергию из атмосферы, но мы даже близко к этому не подошли. Те же облака электризуются, есть огромная разность потенциалов. Как физическое явление оно известно, но на практике его совершенно невозможно использовать».
Важно оценить затраты и риски
Технологии энергии из воздуха еще разрабатываются, отмечает эксперт Российского центра компетенций и анализа стандартов ОЭСР РАНХиГС Мария Гирич.
«На данный момент группа экспертов под руководством профессора Цзюнь Яо протестировала пять видов материалов. В частности, древесные и шелковые волокна, оксид графена и полимер полистиролсульфонат (PEDOT). А также один из типов микробов, каждый из которых создал небольшой электрический ток, — комментирует Мария Гирич. — Первый стартап по разработке устройств, позволяющих производить энергию из воздуха, уже организован. Пока ими можно только зарядить мобильный телефон. Но в планах добиться возможности обеспечивать электричеством целые дома, а также использовать разработки в промышленности».
Сейчас, полагает эксперт, важно оценить затраты на производство и закупку сырья, возможность переработки модулей, которые будут производить энергию, а также все риски для людей и окружающей среды. Например, переработка солнечных батарей по-прежнему остается дорогостоящей процедурой. Затраты на вывод модулей из эксплуатации могут варьироваться от 50000 до 150000 долларов США, согласно исследованиям Научно-исследовательского института электроэнергетики в Калифорнии.
По ожиданиям европейской команды разработчиков, развитие таких устройств для широкого пользования займет около 10 лет. В будущем это действительно может внести значительный вклад в устойчивое производство энергии, облегчая переход к чистому и зеленому электричеству.
«В России также ведутся разработки новых источников энергии. Например, в Институте физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН разработали методику получения электроэнергии за счет окисления водорода в безвоздушной среде (в космосе).
Поэтому любые технологии, связанные с альтернативной добычей энергии, могут стать популярны в России. Особенно если добыча такой энергии, а также сами энергоблоки будут иметь низкую стоимость с точки зрения производства и обслуживания», — подчеркнула Мария Гирич.
Самое зеленое решение
Открытие зарубежных ученых можно и нужно воспринимать всерьез, несмотря на его внешнюю фантастичность, полагает эксперт Российского газового общества Антон Соколов.
«Огромное внимание этот проект получил в последние несколько месяцев, после публикации статьи команды доктора Цзюнь Яо. Но о его первых результатах было известно уже несколько лет назад, когда физик Цзюнь Яо совместно с микробиологом Дереком Лавли проводили свои первые эксперименты по электрогенерации. Они использовали специальный генератор, построенный на базе тонкой пористой пленки и органических нанопроводников.
Как тогда, так и сейчас, основной сложностью остаются материалы, ограничивающие применение данной технологии небольшими устройствами. Например, носимыми медицинскими чипами. Более крупное устройство запитать от нового решения невозможно. Хотя, по расчетам авторов, в будущем с помощью персональной гигроэлектростанции (так, наверное, можно назвать это устройство) размером с обычный холодильник можно будет обеспечить энергией частный дом среднего размера.
Разумеется, это дело не двух-трех лет. Но вспомним, какого прогресса к сегодняшнему дню добилась гигроэнергетика за последние 10 лет. Со времени доклада Фернандо Галембека Американскому химическому обществу об открытии феномена накопления электрического заряда в дождевых каплях. Можно предположить, что уже к середине нынешнего века эта сфера обретет практический смысл. Естественно, при условии интереса и инвестиций со стороны бизнеса и государства.
Уже сейчас над созданием нового типа генераторов работает несколько команд по всему миру. Думаю, со временем их число будет только увеличиваться. Гигроэнергетика, по крайней мере пока, претендует на звание самого зеленого, устойчивого и постуглеродного решения.
Наша страна также должна быть заинтересована в альтернативах традиционной углеводородной энергетике. Это задел на будущее, в котором мы неминуемо окажемся, пусть и не к 2050–2060-м, а значительно позже».
