Cia: GabrielleMerk. Wikimedia.org (zdjęcie #46)
Naukowcy twierdzą, że nowa bateria na bazie wody mogłaby stanowić tani sposób na przechowywanie energii wiatrowej lub słonecznej na później.
Akumulator gromadzi energię wytworzoną, gdy świeci słońce i wiejący wiatr, dzięki czemu można go z powrotem wprowadzić do sieci elektrycznej i rozdzielić, gdy zapotrzebowanie jest duże.
Prototypowa bateria manganowo-wodorowa, zgłoszona w Natura Energia, ma zaledwie trzy cale wysokości i wytwarza zaledwie 20 miliwatogodzin energii elektrycznej, co jest równe poziomowi energii latarek LED zawieszonych na breloczku.
Pomimo niewielkiej mocy prototypu naukowcy są przekonani, że mogą skalować tę technologię stołową do systemu klasy przemysłowej, który może ładować i ładować do 10,000 razy, tworząc baterię w skali siatki o użytecznej żywotności znacznie przekraczającej dekada.
Yi Cui, profesor nauk o materiałach na Uniwersytecie Stanforda i starszy autor artykułu, twierdzi, że technologia akumulatorów manganowo-wodorowych może być jednym z brakujących elementów w krajowej łamigłówce energetycznej - sposobem na przechowywanie nieprzewidywalnej energii wiatrowej lub słonecznej, aby zmniejszyć potrzeba spalania niezawodnych, ale emitujących węgiel paliw kopalnych, gdy źródła odnawialne nie są dostępne.
„To, co zrobiliśmy, wrzuciło specjalną sól do wody, wrzuciło elektrodę i stworzyło odwracalną reakcję chemiczną, która przechowuje elektrony w postaci gazowego wodoru”, mówi Cui.
Sprytna chemia
Wei Chen, doktorant w laboratorium Cui, kierował zespołem, który wymyślił koncepcję i zbudował prototyp. Zasadniczo naukowcy nakłonili odwracalną wymianę elektronów między wodą a siarczanem manganu, tanią, bogatą solą przemysłową stosowaną do produkcji suchych ogniw, nawozów, papieru i innych produktów.
Aby naśladować sposób, w jaki źródło wiatru lub słońca może dostarczać energię do akumulatora, naukowcy dołączyli źródło zasilania do prototypu. Napływające elektrony reagowały z siarczanem manganu rozpuszczonym w wodzie, pozostawiając cząsteczki dwutlenku manganu przylegające do elektrod. Nadmiar elektronów wydzielał się jako gazowy wodór, magazynując tę energię do wykorzystania w przyszłości.
Inżynierowie wiedzą, jak odtworzyć energię elektryczną z energii zgromadzonej w gazowym wodorze, dlatego ważnym kolejnym krokiem było udowodnienie, że mogą naładować akumulator na bazie wody.
Naukowcy zrobili to, podłączając ponownie źródło zasilania do wyczerpanego prototypu, tym razem w celu wywołania przywierania cząstek dwutlenku manganu do elektrody w celu połączenia z wodą, uzupełniając sól siarczanu manganu. Gdy proces ten przywróci sól, nadchodzące elektrony stały się nadwyżką, a nadwyżka mocy mogłaby wypalić się jako gazowy wodór, metodą, którą można powtarzać raz za razem.
Cui szacuje, że biorąc pod uwagę spodziewaną żywotność baterii na bazie wody, zaoszczędziłoby ani grosza za przechowywanie wystarczającej ilości energii elektrycznej, aby zasilić żarówkę 100 przez dwanaście godzin.
„Wierzymy, że ta prototypowa technologia będzie w stanie sprostać celom Departamentu Energii w zakresie praktycznego magazynowania energii w skali użyteczności”, mówi Cui.
Departament Energii (DOE) zalecił akumulatory do przechowywania w skali sieci, które powinny przechowywać, a następnie rozładować co najmniej 20 kilowatów energii w ciągu godziny, być zdolne do co najmniej 5,000 doładowań i mieć użyteczną żywotność 10 lat lub więcej. Aby było to praktyczne, taki system akumulatorowy powinien kosztować 2,000 $ lub mniej, lub 100 $ za kilowatogodzinę.
Były sekretarz DOE i laureat Nagrody Nobla Steven Chu, obecnie profesor w Stanford, od dawna interesuje się zachęcaniem do technologii, aby pomóc krajowi w przejściu na energię odnawialną.
„Podczas gdy precyzyjne materiały i konstrukcja wciąż wymagają rozwoju, ten prototyp pokazuje rodzaj nauki i inżynierii, który sugeruje nowe sposoby na uzyskanie tanich, trwałych akumulatorów o skali użyteczności”, mówi Chu, który nie był członkiem zespół badawczy.
Zasilanie sieci
Według szacunków DOE około 70 procent energii elektrycznej w USA jest wytwarzany przez elektrownie węglowe lub gazowe, które odpowiadają za 40 procent emisji dwutlenku węgla. Przejście na wytwarzanie energii wiatrowej i słonecznej jest jednym ze sposobów ograniczenia tych emisji. Ale to stwarza nowe wyzwania związane ze zmiennością zasilania. Najwyraźniej słońce świeci tylko w dzień, a czasami wiatr nie wieje.
Ale inna, mniej zrozumiała, ale ważna forma zmienności wynika z gwałtownego wzrostu popytu w sieci - sieci przewodów o wysokim napięciu, która rozprowadza energię elektryczną po regionach i ostatecznie do domów. W upalny dzień, kiedy ludzie wracają z pracy i podkręcają klimatyzację, narzędzia muszą mieć strategie równoważenia obciążenia, aby zaspokoić szczytowe zapotrzebowanie: jakiś sposób na zwiększenie wytwarzania energii w ciągu kilku minut, aby uniknąć awarii lub awarii zasilania, które w przeciwnym razie mogłyby doprowadzić do awarii sieci .
Dzisiaj przedsiębiorstwa często osiągają to poprzez odpalanie elektrowni na żądanie lub „dyspozytorskich” elektrowni, które mogą pozostawać bezczynne przez większość dnia, ale mogą wejść do trybu online w ciągu kilku minut - wytwarzając szybką energię, ale zwiększając emisję węgla. Niektóre przedsiębiorstwa opracowały krótkoterminowe równoważenie obciążenia, które nie opiera się na instalacjach spalania paliw kopalnych.
Najczęstszą i najbardziej opłacalną taką strategią jest pompowanie hydroelektrowni: wykorzystanie nadwyżki energii do skierowania wody pod górę, a następnie spuszczenie jej z powrotem w celu wytworzenia energii podczas szczytowego zapotrzebowania. Jednak magazynowanie hydroelektryczne działa tylko w regionach o wystarczającej ilości wody i przestrzeni. Aby uczynić wiatr i słońce bardziej użytecznymi, DOE zachęciło akumulatory o dużej pojemności jako alternatywę.
Pokonać konkurencję
Cui twierdzi, że istnieje kilka rodzajów technologii akumulatorów na rynku, ale nie jest jasne, które podejścia spełnią wymagania DOE i udowodnią swoją praktyczność dla przedsiębiorstw użyteczności publicznej, organów regulacyjnych i innych zainteresowanych stron, które utrzymują krajową sieć elektryczną.
Na przykład Cui twierdzi, że akumulatory litowo-jonowe, które przechowują niewielkie ilości energii potrzebnej do obsługi telefonów i laptopów, są oparte na rzadkich materiałach, a zatem są zbyt drogie, aby magazynować energię w dzielnicy lub mieście. Cui twierdzi, że pamięć masowa w sieci wymaga taniego akumulatora o dużej pojemności, który można ładować. Proces mangan-wodór wydaje się obiecujący.
„Inne technologie akumulatorów są ponad pięć razy wyższe niż koszty w całym okresie użytkowania”, dodaje Cui.
Chen twierdzi, że nowatorska chemia, tanie materiały i względna prostota sprawiły, że akumulator manganowo-wodorowy jest idealny do tanich instalacji na skalę sieciową.
Prototyp wymaga prac rozwojowych, aby się sprawdzić. Z jednej strony wykorzystuje platynę jako katalizator, aby pobudzić kluczowe reakcje chemiczne na elektrodzie, które sprawiają, że proces ładowania jest wydajny, a koszt tego komponentu byłby zbyt wysoki w przypadku wdrożenia na dużą skalę. Ale Chen twierdzi, że zespół już pracuje nad tańszymi sposobami, aby nakłonić siarczan manganu i wodę do przeprowadzenia odwracalnej wymiany elektronów.
„Zidentyfikowaliśmy katalizatory, które mogłyby doprowadzić nas poniżej celu DOE 100 na kilowatogodzinę”, mówi.
Naukowcy twierdzą, że prototypy ładują 10,000, co stanowi dwukrotność wymagań DOE, ale twierdzą, że konieczne będzie przetestowanie akumulatora manganowo-wodorowego w rzeczywistych warunkach przechowywania sieci elektrycznej, aby naprawdę ocenić jego żywotność i koszt.
Cui mówi, że starał się opatentować ten proces za pośrednictwem Stanford Office of Technology Licensing i planuje założyć firmę w celu komercjalizacji systemu.
O autorach
Yi Cui, profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanforda, jest starszym autorem artykułu. Dodatkowi współautorzy pochodzą z Chińskiej Akademii Nauk i Stanford. Departament Energii sfinansował badania.
Źródło: Stanford University
Powiązane książki
at Rynek wewnętrzny i Amazon
