credit pentru fotografie: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto # 46)
O nouă baterie pe bază de apă ar putea oferi o modalitate ieftină de a stoca energia eoliană sau solară pentru mai târziu, spun cercetătorii.
Bateria stochează energia generată atunci când soarele strălucește și bate vântul, astfel încât să poată fi alimentată înapoi în rețeaua electrică și redistribuită atunci când cererea este mare.
Prototipul bateriei mangan-hidrogen, raportat în Energia naturii, are o înălțime de doar trei centimetri și generează doar 20 de miliwatt-oră de energie electrică, care este la fel cu nivelurile de energie ale lanternelor cu LED-uri care atârnă de un inel de chei.
În ciuda producției minime a prototipului, cercetătorii sunt încrezători că pot extinde această tehnologie de masă la un sistem de nivel industrial care s-ar putea încărca și reîncărca de până la 10,000 de ori, creând o baterie la scară de rețea cu o durată de viață utilă care depășește deceniu.
Yi Cui, profesor de știința materialelor la Universitatea Stanford și autor principal al lucrării, spune că tehnologia bateriei cu mangan-hidrogen ar putea fi una dintre piesele lipsă din puzzle-ul energetic al națiunii - o modalitate de a stoca energia eoliană sau solară imprevizibilă pentru a reduce necesitatea de a arde combustibili fosili fiabili, dar cu emisii de carbon, atunci când sursele regenerabile nu sunt disponibile.
„Ceea ce am făcut este să aruncăm o sare specială în apă, să cadem într-un electrod și să creăm o reacție chimică reversibilă care stochează electroni sub formă de hidrogen gazos”, spune Cui.
Chimie inteligentă
Wei Chen, un cercetător postdoctoral în laboratorul lui Cui, a condus echipa care a visat conceptul și a construit prototipul. În esență, cercetătorii au determinat un schimb reversibil de electroni între apă și sulfat de mangan, o sare industrială ieftină, abundentă, utilizată pentru fabricarea bateriilor cu celule uscate, îngrășăminte, hârtie și alte produse.
Pentru a imita modul în care o sursă eoliană sau solară ar putea alimenta energia în baterie, cercetătorii au atașat o sursă de energie la prototip. Electronii care circulă au reacționat cu sulfatul de mangan dizolvat în apă pentru a lăsa particule de dioxid de mangan agățate de electrozi. Excesul de electroni s-a îndepărtat ca hidrogen gazos, stocând acea energie pentru o utilizare viitoare.
Inginerii știu cum să recreeze electricitatea din energia stocată în hidrogen gazos, astfel încât următorul pas important a fost să demonstreze că pot reîncărca bateria pe bază de apă.
Cercetătorii au făcut acest lucru re-atașându-și sursa de energie la prototipul epuizat, de data aceasta cu scopul de a induce particulele de dioxid de mangan care se agață de electrod pentru a se combina cu apă, completând sarea de sulfat de mangan. Odată ce acest proces a restabilit sarea, electronii care au intrat au devenit excedentari, iar puterea în exces s-ar putea bula ca hidrogen gazos, într-o metodă care poate fi repetată din nou și din nou și din nou.
Cui estimează că, având în vedere durata de viață preconizată a bateriei pe bază de apă, ar costa un ban pentru a stoca suficientă energie electrică pentru a alimenta o bec de 100 de wați timp de douăsprezece ore.
„Credem că această tehnologie prototip va fi capabilă să îndeplinească obiectivele Departamentului Energiei în ceea ce privește practicitatea stocării electrice la scară utilitară”, spune Cui.
Departamentul Energiei (DOE) a recomandat baterii pentru depozitarea la scară de rețea, ar trebui să stocheze și apoi să descarce cel puțin 20 kilowati de energie pe o perioadă de o oră, să fie capabil de cel puțin 5,000 de reîncărcări și să aibă o durată de viață utilă de 10 ani sau Mai Mult. Pentru a-l face practic, un astfel de sistem de baterii ar trebui să coste 2,000 USD sau mai puțin, sau 100 USD pe kilowatt oră.
Fostul secretar DOE și laureat al Premiului Nobel Steven Chu, acum profesor la Stanford, are un interes îndelungat în încurajarea tehnologiilor care să ajute tranziția națională la energia regenerabilă.
„În timp ce materialele și designul precis au încă nevoie de dezvoltare, acest prototip demonstrează tipul de știință și inginerie care sugerează noi modalități de a realiza baterii la scară redusă, de lungă durată, la scară largă”, spune Chu, care nu era membru al echipa de cercetare.
Alimentarea rețelei
Potrivit estimărilor DOE, aproximativ 70% din energia electrică din SUA este generată de centralele de cărbune sau gaze naturale, care reprezintă 40% din emisiile de dioxid de carbon. Trecerea la generarea eoliană și solară este o modalitate de a reduce aceste emisii. Dar asta creează noi provocări care implică variabilitatea sursei de alimentare. Cel mai evident, soarele strălucește doar ziua și, uneori, nu bate vântul.
Dar o altă formă de variabilitate mai puțin bine înțeleasă, dar importantă, vine din creșterea cererii de pe rețea - acea rețea de fire de înaltă tensiune care distribuie electricitatea peste regiuni și, în cele din urmă, către case. Într-o zi fierbinte, când oamenii vin acasă de la serviciu și pornesc aerul condiționat, utilitățile trebuie să aibă strategii de echilibrare a sarcinii pentru a satisface cererea maximă: o modalitate de a spori generarea de energie în câteva minute, pentru a evita întreruperile sau întreruperile care altfel ar putea să doboare rețeaua .
Astăzi, utilitățile realizează adesea acest lucru pornind centrale la cerere sau „dispecerizabile”, care pot rămâne inactive aproape toată ziua, dar pot fi conectate online în câteva minute - producând energie rapidă, dar stimulând emisiile de carbon. Unele utilități au dezvoltat o echilibrare a sarcinii pe termen scurt, care nu se bazează pe centralele care ard combustibili fosili.
Cea mai comună și mai rentabilă astfel de strategie este stocarea hidroelectrică pompată: utilizarea excesului de energie pentru a trimite apa în sus, apoi lăsând-o să curgă înapoi pentru a genera energie în timpul cererii maxime. Cu toate acestea, stocarea hidroelectrică funcționează numai în regiuni cu apă și spațiu adecvat. Deci, pentru a face eolianul și solarul mai utile, DOE a încurajat bateriile de mare capacitate ca alternativă.
Înfrângerea concurenței
Cui spune că există mai multe tipuri de tehnologii de baterii reîncărcabile pe piață, dar nu este clar ce abordări vor îndeplini cerințele DOE și vor dovedi practic utilitățile, autoritățile de reglementare și alte părți interesate care întrețin rețeaua electrică a țării.
De exemplu, Cui spune că bateriile reîncărcabile litiu-ion, care stochează cantitățile mici de energie necesare pentru a rula telefoane și laptopuri, se bazează pe materiale rare și, prin urmare, sunt prea scumpe pentru a stoca energie pentru un cartier sau oraș. Cui spune că stocarea la scară de rețea necesită o baterie reîncărcabilă cu costuri reduse, de mare capacitate. Procesul de mangan-hidrogen pare promițător.
„Alte tehnologii ale bateriilor reîncărcabile sunt cu ușurință mai mari de cinci ori din costul pe parcursul vieții”, adaugă Cui.
Chen spune că chimia nouă, materialele cu costuri reduse și simplitatea relativă au făcut ca bateria de mangan-hidrogen să fie ideală pentru desfășurarea la scară mică a rețelei.
Prototipul are nevoie de muncă de dezvoltare pentru a se dovedi. În primul rând, folosește platina ca catalizator pentru a stimula reacțiile chimice cruciale la electrod care fac procesul de reîncărcare eficient, iar costul componentei respective ar fi prohibitiv pentru desfășurarea pe scară largă. Dar Chen spune că echipa lucrează deja la modalități mai ieftine de a convinge sulfatul de mangan și apa pentru a efectua schimbul reversibil de electroni.
„Am identificat catalizatori care ne-ar putea aduce sub obiectivul DOE de 100 USD pe kilowatt-oră”, spune el.
Cercetătorii raportează că au efectuat 10,000 de reîncărcări ale prototipurilor, ceea ce este de două ori mai mare decât cerințele DOE, dar spun că va fi necesar să se testeze bateria de mangan-hidrogen în condițiile reale de depozitare a rețelei electrice, pentru a evalua cu adevărat performanța și costul vieții sale.
Cui spune că a încercat să breveteze procesul prin intermediul Oficiului de licențiere tehnologică din Stanford și intenționează să formeze o companie care să comercializeze sistemul.
Despre Autori
Yi Cui, profesor de știința materialelor la Universitatea Stanford, este autorul principal al lucrării. Coautori suplimentari sunt de la Academia de Științe din China și Stanford. Departamentul de Energie a finanțat cercetarea.
Sursa: Universitatea Stanford
Cărți conexe
at InnerSelf Market și Amazon
