關於納米技術你應該知道的十件事
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8)行業示範——能源領域 |
日常生活中的納米技術例子
納米技術解決方案已經開始影響電子、醫療技術、先進材料或製藥等行業。讓我們看看能源部門，它是一個很好的例子，說明今天已經可以應用許多小型或不那麼小型的納米技術解決方案。這一概述清楚地表明，到目前為止，還沒有納米技術的“聖杯”應用——而且很可能在可預見的未來也不會出現。相反，基於納米技術的材料和設備將被集成到現有的產品和材料中，並使它們更高效或更有效——比如更好的太陽能電池、電池或絕緣材料。
納米技術提供了提高所有工業分支的能源效率的潛力，並通過新的技術解決方案和優化的生產技術在經濟上利用可再生能源生產。納米技術創新可能影響能源部門增值鏈的每個部分:
納米技術在能源領域增值鏈中的潛在應用實例(來源:VDI TZ GmbH)。(按圖放大)
讓我們仔細看看能源價值鏈的這五個領域納米技術在能源領域的應用(pdf))
能源
納米技術為開發常規能源(化石燃料和核燃料)和可再生能源(如地熱能、太陽能、風能、水、潮汐或生物質能)提供了重要的改進潛力。例如，納米塗層的耐磨鑽頭可以優化油氣或地熱能開發係統的壽命和效率，從而節約成本。進一步的例子是用於風力發電廠和潮汐發電廠的更輕、更堅固的轉子葉片的高負荷納米材料，以及用於機械應力部件(軸承、齒輪箱等)的磨損和腐蝕保護層。納米技術將發揮決定性作用，特別是在太陽能光伏係統的集約利用。例如，在傳統的晶體矽太陽能電池中，提高效率是通過增反射層來實現的，以獲得更高的光產量。
然而，首先，它將是替代電池類型的進一步發展，如薄層太陽能電池(在其他矽或其他材料係統，如銅/銦/硒)，染料太陽能電池或聚合物太陽能電池，這些將主要受益於納米技術。聚合物太陽能電池被認為具有很大的潛力，特別是在便攜式電子設備的供應方麵，由於合理的價格和生產方法以及靈活的設計。中期發展目標的效率約為。10%壽命長達幾年。例如，在這裏，納米技術可以有助於優化層設計和有機半導體混合物在組件結構中的形態。從長遠來看，利用納米結構，如量子點和導線，可以使太陽能電池的效率超過60%。
能量轉換
一次能源轉化為電能、熱能和動能需要最高的效率。效率的提高，特別是在化石燃料燃氣和蒸汽發電廠，可以幫助避免大量的二氧化碳排放。
然而，更高的發電廠效率需要更高的工作溫度，因此需要耐熱的渦輪機材料。改進是可能的，例如，在發電廠或飛機發動機的渦輪葉片上建立納米級的熱和腐蝕保護層，通過提高工作溫度或應用輕質建築材料(如鈦鋁)來提高效率。
納米優化膜可以擴大燃煤發電廠用於發電的二氧化碳分離和氣候中和存儲的可能性範圍，從而使這種重要的發電方法從長遠來看更加環保。通過燃料電池，化學能轉換產生的能量可以通過納米結構的電極、催化劑和膜來提高，這使得在汽車、建築和移動電子設備的運行方麵具有經濟應用的可能性。
熱電能轉換似乎也很有前途。具有優化邊界層設計的納米結構半導體有助於提高效率，這可能為廢熱利用的廣泛應用鋪平道路，例如在汽車上，甚至在紡織品中的便攜式電子產品人體熱的利用。
能量分布
在降低電流傳輸中的能量損耗方麵，我們希望碳納米管等納米材料具有非凡的導電性，將其應用於電纜和電力線路。此外，還有納米技術的方法來優化超導材料的無損電流傳導。
從長遠來看，可以選擇無線能源傳輸，例如通過激光、微波或電磁共振。未來的電力分配將需要電力係統提供動態負荷和故障管理，需求驅動的能源供應，具有靈活的價格機製，以及通過一些分散的可再生能源供電的可能性。
納米技術可以為實現這一願景做出決定性的貢獻，特別是通過納米傳感裝置和電力-電子組件，它們能夠應對這種網格的極其複雜的控製和監測。
能量儲存
利用納米技術來增強電能存儲，比如電池和超級電容器，被證明是完全有希望的。由於高電池電壓和卓越的能量和功率密度，鋰離子技術被認為是最有前途的電力儲能變體。
納米技術可以決定性地提高鋰離子電池的容量和安全性，例如通過新型陶瓷、耐熱且仍然靈活的隔板和高性能電極材料。贏創公司正在推動這類係統的商業化，以應用於混合動力和電動汽車以及固定式儲能。
從長遠來看，氫也是一種很有前景的環保能源。除了必要的納米結構調整外，氫的高效存儲被認為是成功實現可能的氫管理的關鍵因素之一。
目前的化學儲氫材料還不能滿足汽車工業對H的要求2-存儲容量高達百分之十的重量。
各種納米材料，特別是基於納米多孔金屬有機化合物的納米材料，提供了發展潛力，似乎在經濟上是可行的，至少在便攜式電子設備的燃料電池操作方麵是這樣。
另一個重要的領域是熱能儲存。例如，建築物的能源需求可以通過使用相變材料(如潛熱存儲器)而大大減少。有趣的是，從經濟角度來看，沸石等納米多孔材料也可以作為吸附存儲材料，可用於集中供熱電網或工業的熱存儲。沸石對水的吸附可以實現熱量的可逆儲存和釋放。
能源使用
要實現能源的可持續供應，與現有能源的優化開發並行，就必須提高能源利用效率，避免不必要的能源消耗。這適用於所有行業和私人家庭。納米技術提供了多種節約能源的方法。
例如，在納米複合材料的基礎上通過輕質建築材料降低汽車油耗，通過耐磨、更輕的發動機部件和納米顆粒燃料添加劑甚至納米顆粒優化低滾動阻力輪胎的燃料燃燒。
在工廠和機器的機械部件中，通過摩擦學層可實現相當大的能源節約。建築技術也為節能提供了巨大的潛力，例如納米多孔隔熱材料可以應用於舊建築的能量修複。
一般來說，通過納米技術組件控製光通量和熱流，例如可切換玻璃，是一種很有前景的方法來降低建築能耗。