Как полимеры стали ещё одним шагом в развитии солнечной энергетики?
Представьте себе нить, на которую нанизаны бусины. Примерно так выглядит макромолекула. А теперь представьте большое количество таких бус, переплетённых вместе. Это уже полимер — вещество, состоящее из макромолекул, построенных из многократно повторяющихся групп атомов («мономерных звеньев»). Такая структура и определяет удивительные свойства этих материалов. В природе полимеры — это целлюлоза, лигнин, крахмал, натуральный каучук, желатин, шелк, кератин и другие. Они участвуют в жизни человека с древнейших времён. Однако настоящая эра полимеров пришла в начале XX века с изобретением Лео Бакеландом твёрдого материала, который был назван «бакелит». С этих пор началось взрывное развитие полимерной науки, было налажено промышленное производство полиэтилена, полистирола, полиамида и других пластмасс, без которых сегодня трудно представить нашу жизнь. В общем, роль полимеров в жизни человечества поистине глобальна.
Основную часть полимеров получают на огромных заводах из соответствующих мономеров. Годовая производительность таких гигантов химической промышленности может достигать десятков и сотен тысяч тонн. Так как основным сырьём являются продукты нефтепереработки (мономеры), то полимерные предприятия располагаются в непосредственной близости от нефтеперерабатывающих заводов. Но делать нечто ужасное из экологических проблем и нефтепродуктов не стоит, нужно работать над улучшением технологий, ресурсо- и энергосбережением.
Среди ключевых площадок, которые занимаются изучением и разработкой полимеров и материалов на их основе в России можно выделить Институт высокомолекулярных соединений РАН и Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН. Среди зарубежных институтов можно выделить The Michael M. Szwarc Polymer Research Institute в Нью-Йорке (США) и Leibniz Institute of Polymer Research в Дрездене (Германия). Однако самыми сильными научными центрами и локомотивами инноваций являются лаборатории крупных корпораций, таких как BASF, Dow Chemical, ExxonMobil, Chevron, LG Chem и другие.
О рынке полимеров
Рынок полимерных материалов в Российской Федерации после депрессии 1990-1996 гг., связанной с геополитическими изменениями и, как следствие, падением спроса на сырьё, начиная с 1998 г., демонстрирует уверенный рост. И даже 2009 г., когда в результате кризиса потребление полимеров снизилось почти на 12% не смог изменить ситуацию, так как уже в следующем году рост продолжился. При этом до сих пор спрос на полимерные материалы значительно опережает предложение. Такая ситуация способствует строительству новых заводов и открытию новых производственных линий на уже имеющихся, чтобы закрыть дефицит материалов, компенсируемый импортными поставками. Так, в настоящее время в Тобольске идёт строительство комбината ЗапСибНефтехим, на мощностях которого будут производиться полиэтилен и полипропилен, подписано соглашение по промышленному проекту «Этана» в Кабардино-Балкарии, на котором будет организовано производство полиэтилентерефталата. Всё это позволило нашей стране в течение последних лет наращивать производство полимерной продукции примерно на 7%, в то время как в мире эта цифра находится на уровне 3%.
К настоящему времени мировое потребление полимерных материалов превысило 210 млн. тонн (по данным «Эрнст энд Янг (СНГ) Б.В.»), доля стран СНГ в котором около 3%. Основными же игроками на мировом рынке являются страны Северной Америки (около 20%) и Европы (около 21%). В последние годы мировой рынок полимерных материалов все больше смещается в регионы Ближнего Востока и Азиатско-Тихоокеанского региона. Это связано не только с ростом спроса в развивающихся странах, но и с близостью к сырью. Таким образом, на сегодняшний день Китай и страны Ближнего Востока и Африки суммарно производят около 30% всех полимерных материалов. Наиболее крупнотоннажным полимером в России, как и в мире, является полиэтилен с долей порядка 37%, за которым расположились полипропилен (26%), поливинилхлорид (18%), полистирол (9%), полиэтилентерефталат (около 8%) и другие.
Итак, и мировой и российский рынки полимерных материалов демонстрируют уверенный рост за счёт увеличения спроса и, соответственно, строительства новых производственных мощностей. При этом веских причин для изменения этой картины в ближайшем будущем нет. Как в отрасль полимеров проникают новые технологии?
О научных открытиях
Наука о полимерах молода по сравнению с традиционными химическими науками. Несмотря на это она может похвастаться интенсивным развитие — новости об открытиях (в том числе и в области энергетики) выходят постоянно. Однако к громким заявлениям следует относиться с определённой осторожностью и, не побоюсь этого слова, некоторым скепсисом. Новостные агентства, которые освещают новые научные достижения, зачастую грешат преувеличениями, приукрашиванием действительности или явными неточностями. Среди причин, на мой взгляд, — не только сложность современных научных концепций, но и «дозированные вбросы» с целью исказить проблему и намеренно отвлечь внимание (ведь передовые разработки в области полимерного материаловедения находятся на острие современной науки, требуют грамотной патентной защиты и потенциально весьма дорогостоящи).
Так, в числе свежих новостей, было сообщение об открытии новых возможностей органических полимеров, полианилинов, химиками из техасского университета в Арлингтоне. В частности, исследователи заявили, что в перспективе такие вещества способны стать материалом для фотокадотов для превращения диоксида углерода в топливо без катализаторов. Другой пример — новый тип тканого материала, который способен вырабатывать энергию, преобразуя в электричество солнечный свет и энергию ветра. Он был представлен объединенной командой ученых из Технологического института Джорджии (США) и Чунцинского университета (Китай).
Если обратиться к современным трендам, то станет ясно, что основное внимание общественности приковано к возобновляемым источникам энергии, в том числе к энергии Солнца. Так, мировое сообщество обеспокоено проблемами, связанными с ухудшением состояния окружающей среды. Не случайно большое внимание уделяется различным международным конференциям, наиболее значимая из которых за последнее время — Конференция по климату COP21, проходившая в конце 2015 года в Париже. Важность данного мероприятия подтверждает участие в нём первых лиц многих государств общим числом в 195 стран. Таким образом, оба проекта очень выгодно смотрятся на данном фоне, но не стоит раньше времени рисовать им светлое будущее.
Какие же подводные камни могут быть скрыты под громкими заголовками таких новостей?
Во-первых, вполне возможно, что описанные проекты находятся только на зачаточной стадии, и неизвестно, будут ли они доведены до конца. Во-вторых, успех в техническом плане не гарантирует финансовый успех такого проекта. Технология просто может оказаться нерентабельной. И, наконец, не стоит забывать про конкуренцию со стороны традиционных ископаемых источников энергии, которые доминируют в мировой энергетике. Так что до тех пор, пока ископаемое топливо будет рентабельно, не стоит ожидать полномасштабной реализации подобных проектов.
О преобразовании солнечной энергии в электрическую
В настоящее время известны два основных способа преобразования солнечного света в электрическую энергию. Суть первого заключается в фокусировке светового пучка с помощью специальных устройств (зеркал, линз) на каком-либо теплоносителе. За счёт этого тепловая энергия солнечного света сообщается теплоносителю, который нагревается. На последнем этапе полученная энергия переводится в электрическую, например, за счёт перевода жидкости в пар, который вращает турбину генератора. Второй способ основан на прямом преобразовании солнечного света (или электромагнитных волн) в электрическую энергию с помощью фотоэлементов (солнечных батарей). Принцип их работы противоположен светодиоду, при пропускании тока через который создаётся оптическое излучение. В солнечных батареях, наоборот, фотоны света рождают носители заряда, чьё движение и создаёт электрический ток.
Важным направлением развития современной солнечной энергетики является разработка и совершенствование органических фотоэлементов, в том числе и полимерных. Устройство полимерной солнечной батареи схоже с обычной кремниевой и характеризуется наличием катода и анода, между которыми расположен фотоактивный полимерный слой, состоящий из донора и акцептора (в отличие от кремниевых аналогов, в которых используется полупроводник на основе кремния). Их эффективность крайне низка по сравнению с кремниевыми фотоэлементами и составляет в среднем 6-8 %. Однако их главными преимуществами являются низкая стоимость, отсутствие в составе токсичных элементов, лёгкость и гибкость, что даёт большую свободу при выборе поверхностей для монтажа таких батарей.
Принцип работы полимерной солнечной батареи может быть представлен так:
Фотон света, попадая на фотоактивный слой, поглощается донором, в результате чего образуется экситон, состоящий из дырки и электрона. Экситон не имеет заряда и не может служить носителем, поэтому необходимо, чтобы он диссоциировал на отдельные положительный и отрицательный заряды. Именно это и происходит, когда экситон встречает акцептор. После этого электрон и дырка на границе раздела фаз находятся в связанном состоянии в виде комплекса переноса заряда. И если этот комплекс в свою очередь разделится, то электрон перемещается к катоду, а дырка — к аноду. В результате генерируется электрический ток.
При создании полимерных фотоэлементов необходимо подбирать специальные полимерные материалы. У высокомолекулярных веществ, используемых для этих целей должна быть определённая структура, способствующая реализации необходимых процессов и блокирующая возникновение нежелательных. Так, во избежание потерь на люминесценцию или фосфоресценцию в результате распада экситона с излучением поглощённой энергии и для повышения эффективности полимерной батареи в качестве донора обычно используют вещество с сопряжённой структурой, а в качестве акцептора — материал с малой энергией низшей свободной молекулярной орбитали. Кроме того, так как диссоциация экситона, а, соответственно, и образование носителей заряда (электрона и дырки) происходит на границе раздела фаз (донора и акцептора), то к её качеству предъявляются высокие требования. Именно она в большей степени и определяет эффективность полимерных батарей.
О перспективах
В разговоре о фотоэлементах нельзя не упомянуть о структуре их цены, в которой для наиболее распространённых (занимают около 90% рынка солнечных элементов) и эффективных (КПД около 20%) кремниевых солнечных батарей стоимость сырья (кремний высокой чистоты) составляет более 80%. Полимерные же аналоги, имея преимущество в эксплуатационных характеристиках и цене за счёт меньшей стоимости производства и сырья, всё ещё обладают крайне низкой эффективностью.
Существует мнение, что повышение энергетического выхода полимерных солнечных элементов хотя бы до половины кремниевых аналогов произведёт революцию в солнечной энергетике. Другой взгляд на эту проблему заключается в необходимости дальнейшего снижения цены таких батарей при сохранении уже достигнутого КПД. Однако низкая эффективность — не единственная проблема полимерных фотоэлементов. Батареи на основе полимерных материалов подвержены значительной деградации, эффективные покрытия для защиты от которой ещё не разработаны. Если будут устранены данные недостатки, вполне можно ожидать взрывообразного развития солнечной энергетики.
Полимерные солнечные батареи уже вышли на рынок фотоэлектрических преобразователей. Конечно, их ассортимент не так велик, как у кремниевых аналогов, что связано с вышеназванными проблемами. Однако такие солнечные элементы — сбывшаяся реальность.
В 2010 г. рынок фотоэлементов на основе полимерных материалов составлял около $0,9 млн. По прогнозам к началу 2018 года эта цифра может увеличиться до $460 млн., что свидетельствует о спросе на такие устройства. Кроме того, по данной цифре можно косвенно судить об объёме инвестиций, в том числе привлечённых с помощью краудфандинговых интернет-площадок.
Стоимость преобразования энергии, которая рассчитывается из стоимости фотоэлемента, отнесённой к его мощности, для фотоэлементов на основе полимерных материалов в 2010 г. составляла $11,5 за 1Вт для единственного доступного в то время на рынке модуля Konarka KT-20, который реализовывался малыми партиями. В 2015 году эта цифра составила уже $0,38-0,43за 1Вт. Не в последнюю очередь это связано с разработкой в 2013 году технологии рулонной печати полимерных фотоэлементов, которая упростила производство данных девайсов.
О солнечной энергетике
Поиск новых методов запаса и производства электричества, несомненно, является важным направлением современной науки. Так, в настоящее время подавляющее большинство электростанций, вырабатывающих электроэнергию с помощью солнечных элементов, используют традиционные кремниевые модули. И причина этого не в отсутствии новых технологий и устройств. Кремниевые фотоэлементы отличаются высокой эффективностью, длительным сроком службы (до 25 лет) и простотой в обслуживании, поэтому по сумме всех показателей конкурировать с ними другим солнечным элементам крайне сложно.
Количество солнечных электростанций с каждым годом растёт, но к настоящему времени доля возобновляемых источников энергии (в том числе энергии Солнца) в мировой энергетике не превышает 2%. Таким образом, новейшие разработки в области энергетики, чтобы стать популярными и востребованными, должны быть конкурентоспособны по цене и удобству использования не только с уже имеющимися аналогами (как в случае полимерных и кремниевых фотоэлементов), но и с ископаемым топливом.