Nano og bærekraftig energiteknologi muligheter og utfordringer Ingeborg Kaus SINTEF Materialer og Kjemi Nanokonferansen, Klif, 18. mars 2013
Hva skal jeg snakke om? Hva er nano? Noen eksempler på nano i energiapplikasjoner Hva skjer i Norge og resten av verden?
Litt om nano Nano = 10-9 1 nanometer (nm) = 10-9 meter X 10-9 = Nanoskala defineres ofte som <100nm Nano i en, to eller tre dimensjoner På nanoskala kan man få spesielle effekter kun som resultat av dimensjon Stor overflate Kvanteeffekter Fleksibilitet 3
Teknologier for bærekraftig energi Fornybar energi Sol Vind Vann Bølger Etc Energisparing Passivhus Industri Karbonfangst Adsorpsjon Energilagring Batterier Hydrogen
Teknologier for bærekraftig energi Fornybar energi Sol Vind Vann Bølger Etc Energisparing Passivhus Industri Karbonfangst Adsorpsjon Energilagring Batterier Hydrogen
Solceller Standard Si solceller: 1. Kan ikke absorbere lys med energi under 1.1 ev 2. For lys med energi over 1.1 ev kan bare 1.1 ev brukes, resten blir til varme Shockley Queisser grensen Teoretisk maksimum effektivitet = ~33% 6
Hvordan kan vi øke effektiviteten? Kan utnytte kvanteeffekten i nanomaterialer for å øke effektiviteten Lage to elektroner av ett dobbelt effekt Strukturer av kvanteprikker Bør være mindre enn 20nm G. Conibeer, Materials Today, 2007
Teknologier for bærekraftig energi Fornybar energi Sol Vind Vann Bølger Etc Energisparing Passivhus Industri Karbonfangst Adsorpsjon Energilagring Batterier Hydrogen
Nanobaserte isolasjonsmaterialer (NIM) Hvorfor? Bygninger står for 40% av alt utslipp av drivhusgass. Energi effektivitet billigere og lavere miljøpåvirkning enn produksjon av ny energi Tiltak i energi-sektoren er mest økonomiske (IPCC reports) Mål: = 0.004 W/(m K) (stillestående luft: = 0.026 W/(m K)) Mulighet for tilpasning og justering på bygningsplassen Hydrofobisk overflate How: Nanoporøs struktur med hule nanosfærer Tilsvarende pakking som i aerogeler ( = 0.013 W/(m K)) TEM av hule nanosfærer
Nanobaserte isolasjonsmaterialer (NIM) Framstilling av nanosfærer Nå: Kontrollert variasjon i størrelse og veggtykkelse = 0.020 W/(m K), pakker som en xerogel uten optimalisering Hydrofobisk overflatebehandling Hydrofobisk pulver av nanosfærer Framtida: Kontrollert aerogel type pakking Unngå støvproblemer ved å forme som Plater Granuler Gjøre syntese mer miljøvennlig Oppskalering for bruk i bygg! Xerogel Aerogel TEM av nanosfærer
Teknologier for bærekraftig energi Fornybar energi Sol Vind Vann Bølger Etc Energisparing Passivhus Industri Karbonfangst Adsorpsjon Energilagring Batterier Hydrogen
Produksjon av CO 2 gjennom forbrenning av fossile brensel Fossilt brensel (C x H y ) + luft (N 2 +O 2 ) Forbrenning CO 2 + H 2 O + N 2 må separere N 2 og CO 2 for å kunne lagre CO 2 Kan separere luft og fjerne N 2 før forbrenning, eller kan separere ut enten N 2 eller CO 2 fra gassblandingen etterpå
CO 2 separasjon med nanomaterialer Eksempel: metalorganiske nettverksstrukturer (metalorganic framework (MOF)) CO 2 molekylene absorberes i kanalene (kanalene er ca 0,3-1,2 nm) Hvert gram MOF har et arbsorpsjonsareal tilsvarende to tennisbaner pga støørelsen på porene
Teknologier for bærekraftig energi Fornybar energi Sol Vind Vann Bølger Etc Energisparing Passivhus Industri Karbonfangst Adsorpsjon Energilagring Batterier Hydrogen
Elektrokjemisk energilagring Nanostrukturerte materialer blir mer og mer viktige for å forbedre funksjonaliteten og effektiviteten til batterier og superkondensatorer. Superkondensatorer Lades/utlades mye fortere enn batterier, men mindre energi-tetthet 15
Nano strukturering av silisium for Li ion batterier Et stort gjennombrudd er på vei for Li ion batterier Si baserte anoder Ladekapasitet > 4000 mah/g (10 ganger større enn grafitt anoder) Problem : 400 ganger utvidelse ved interkalering av Li Mister elektrisk kontakt på grunn av oppsprekking ved ekstraksjon av Li Foreslått løsning på problemet: Nanostrukturer : Nanotråder, hule nanostrukturer, pakka hule strukturer Si nanotråd syntese ved PECVD eller elektrodeponering, elektrokjemisk karakterisering av Li ion batterier H.Wu, Y.Cui. Nano Today, 7,414,2012 N. Ding et al. J. Power Sources 192 644, 2009 T. Mokkelbost, et al. ECS Transactions 35,34,149-158,(2011) 16
Nano muliggjørende og utfordrende Hva er hovedutfordringene? HMS framstilling, behandling og ferdig produkt "Menigmanns" oppfatning Har vi nok kunnskap? Stabilitet mer reaktivt pga små partikler Oppskalert produksjon Pris Utvikling Karakterisering Produksjon Renrom Store utstyrsinvesteringer
Norske aktører Norske aktører er ofte bundet sammen av FME-sentrene Forskningssentre for Miljøvennlig Energi Norsk industri Universiteter, forskningsinstitutter og industri Fokus på miljøteknologi, ikke på nano, men forskning på nanomaterialer er en essensiell del av materialutviklingen i flere FMEer Mange små høyteknologibedrifter med nano som fokus ofte spinoffs fra instituttene/universitetene Store selskaper ofte interessert i å utnytte potensialet, men trenger hjelp fra forskningsmiljøene Forskningsinfrastruktur investert mye de siste åre I både NTNU Nanolab og MiNaLab Samarbeid i store sentre: NorTEM, NorFab Både NFR og EU har egne programmer for nanoteknologi
Centres for Environment-friendly Energy Research BIGCCS, CCS NOWITECH, Offshore wind technology CENSES, Social science NORCOWE, Offshore wind energy SUCCESS; CO 2 storage CEDREN, Renewable energy systems ZEB, Zero emission buildings SOLAR UNITED, Solar cell technology CICEP, Social science CREE, Social science CenBIO, Bioenergy Innovation
Hva skjer utenfor Norge? Mange som satser tungt på nanomaterialer og er kommet langt Hva gjør de? Tung infrastruktur Langsiktig satsning Samarbeid Industriforankring, men også våge å satse på teknologier som har lang vei og høy risiko
Oppsummering Har sett at nanomaterialer åpner for nye muligheter, men at det også er utfordringer Utfordringene kan løses Er norsk industri nok "på bittet"? Er Norge nok "på bittet"?