6 марта 2014 Докладчик:директор Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, член-корреспондент РАН, доктор химических наук С.Д. Варфоломеев Тема: Новые энергетические технологии — новые экономические вызовы http://mse-msu.ru/category/nauchnieseminary/

1. Новые энергетические
технологии-новые
экономические вызовы
С.Д.Варфоломеев
Институт биохимической физики,
Российская академия наук,
Химический факультет Московского
государственного университета

3. 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

4. «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

5. 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

6. Энергия ветра

8. Мировая выработка электроэнергии ветровыми
станциями
(в ТераВт-часах)

9. В Китае выработка к 2012 г. объем выработанной
электроэнергии ветровыми станциями сравнялся с
выработкой атомными станциями

10. 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

11. 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
6.9
9.5
23.6
40.7
132
71
3.9

12. SOLAR MODULE PRICING TRENDS

14. 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 батарейСтоимость солнечной
электроэнергии,
$/кВт-час
Стоимость электроэнергии от газовых станций
Коммерческая стоимость электроэнергии
на угле

15. НТС ОАО «НК «Роснефть»
Секция по технологиям и исследованиям
«Разработка солнечных панелей
нового
поколения на основе металло-
оксидных
мезоструктур»

21. Солнечные панели из монокристаллического кремния мощностью 500 Вт на поворотном
трекере на здании ИБХФ РАН.

22. Солнечные панели из поликристаллического кремния мощностью 470 Вт на
трекере на здании ИБХФ РАН: вид с крыши.

24. Три типа солнечных панелей на крыше ИБХФ РАН: из аморфного кремния, CIGSи
тандемная панель МО СЭ/CIGS.

25. Биомасса

26. 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

28. 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

29. Современное биотопливо –
комбинация химии и
биотехнологии
 Биоспирты
 Биодизель
 Биокетали
 Биоводород-биофотолиз воды
 Бионефть и синтетическая нефть
 Биобензин
 Новое авиационное топливо
 Технологии ракетного двигателя

30. Получение биотоплива с использованием
флеш-пиролиза один из наименее затратных способов

31. Пиролиз отходов,
производство бионефти
и синтетической нефти

32. 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)

33. Био нефть(биомасса)
Синтетическое
топливо(полимеры)
Новые методы быстрого нагрева
- Микроволновое излучение
- Индукционные токи высокой
частоты

34. Индукционный ток
высокой частоты
 Время нагрева
5-20 сек
 T-скачок до 800 oC
Реактор

35. 3
Продукты
дистилляции,
полученные
флэш-пиролизом
из
низкомолекулярн
ого полиэтилена.

36. 3
А Б

37. Технологии
ракетного двигателя

38. 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

39. Технологии ракетного
двигателя
 Биомасса (80% воды)
 Смесь воды и угля
 Нефтеные отходы
 Генерация синтетического газа
 Попутный газ(91% N2)

40. 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

41. Базовый
исполнительный модуль
Габариты 4,5х1,8х2,0 м

42. Электромобиль – вызов
ближайшего десятилетия

43. Электрический автобус
A battery-electric minibus in St Helens, England

44. Грузовой автомобиль
A Dairy Crest Smith's Elizabethan milk float

45. Шевроле Вольт –
«зеленый» автомобиль 2011
Chevrolet Volt удостоился этой чести решением жюри из
редакторов журналов на ежегодной выставке автомобилей
в Лос-Анджелесе

46. Электротакси в
г. Шеньчжень (Китай)

47. Новинка АвтоВАЗа EL LADA

49. Прототип «Eliica» (Япония)

50. Supercapacitors with
graphene electrodes – an
advanced electric energy
storage solution

51. –
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Graphene
+–
Electrode
(cathode)
Electrode
(anode)
Electrolite
ions
Porous
dielectric
membrane
Electrolite
ions
Micro-level structure

52. 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

53. Microphotos of graphene particles

54. Graphene layers

55. Microphotos of graphene particles
containing transitional metal nanoclusters
500°С 200°С

56. Microphotos of graphene particles
containing Fe (a) and Zr (b) oxide nanoclusters
200°С 200°С

57. Congran-Institute of Biochemical Physics
120 F g

58. Накопители электрической
энергии =НОВАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Проект Конгран
АККУМУЛЯТОРЫ СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ
Высокие энергетические емкости Высокие мощности

59. Плотность энергии, Вт-ч/кг ячейки
Плотностьмощности,Вт/кгячейки
свинцово-кислые
свинцово-кислые,
спиральные
суперконденсаторы
высокоэнергетические
на ионах Li
Li-Me-полимерные
повышенной мощности
на ионах Li
Na/NiC12
Li-ионные повышенной мощности

60. 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.

61. Электромобиль-
принципиально новая
структура энергетики
 Рост потребности в электроэнергии
 Стимулирование освоения
возобновляемых источников энергии

62. Energy for electrocars

63. Global Energetics,
BP Review 2013
2012
Mln tonnes
oil equivalent
Oil 4150
Coal 4000
Gas 3000
Nuclea 500
Hydro 600
Renewable 230

64. 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.

65. 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

66. Энерго-биотехнологические
комплексы - глобальный
вызов

67. Сельско-хозяйственное
производство – в высшей
степени неэффективная
отрасль энергетики
 Ничтожный кпд преобразования
энергии
 Высокий расход топлив
 Энергозависимое производство
удобрений
 Загрязнение окружающей среды

75. Энерго-биотехнологические
комплексы
Замкнутый цикл
конверсии углекислоты в
продукты питания.
Эффективное и
экономическое
оправданное
использование
электрической энергии

76. 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

77. Энерго-биотехнологические
комплексы Культивирование
сельско-
хозяйственных
растений в
контролируемых
условиях без
почвы

78. 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

79. 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
SpainGermany
RF
2012
USA 50.7
mln
tonnes
China +
Hong
Kong 42.8
Germany 26
Spain 14.9
RF 0.1

80. 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 %

81. 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.

83. -5 000
0
5 000
10 000
15 000
20 000
Wind Natural
gas
PV
Coal
Fuel oil
Biomass
Nuclear
Hydro
Capacity,MW
New capacity in 2011
New capacity in 2009
De-commissioned capacity
NEW INSTALLED POWER CAPACITY IN EUROPE
IN 2009 AND IN 2011

84. 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

85. Renewable energy,waste
to fuel technologies,new
processes and new
challenges
Sergey Varfolomeyev
Institute of Biochemical Physics,Russian
Academy of Sciences
Moscow State University

86. 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
0,1
1
10
100
1 000
10 000
B
A
Powercapacity,Gigawatts
Year
World electric power capacity
World PV capacity
TRENDS IN GROWING WORLD ELECTRIC POWER
AND PV GENERATING CAPACITY

87. Exponential global growth of renewable
electricity and biofuel production
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
10
100
1000
10000
B
A
WorldProduction,mlntonnes
Year
- oil production
- production of bioethanol
and biodiesel
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
0.1
1
10
100
1000
10000
B
A
Worldelectricityproduction
capacities,GWt
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

88. Renewable energy,waste
to fuel technologies,new
processes and new
challenges
Sergey Varfolomeyev
Institute of Biochemical Physics,Russian
Academy of Sciences
Moscow State University

89. 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