Фото: ГабріельМерк. Wikimedia.org (фото #46)
Новий акумулятор на водній основі може забезпечити дешевий спосіб зберігання вітрової та сонячної енергії для подальшого, вважають дослідники.
Акумулятор накопичує енергію, вироблену, коли світить сонце і вітер, тому його можна подати в електричну мережу і перерозподілити, коли попит великий.
Про прототип марганцево-водневої батареї повідомляється в Енергія природи, висота всього три сантиметри та генерує електроенергію лише 20 міліват-годин, що відповідає рівню енергії світлодіодних ліхтариків, які висять на брелоку.
Незважаючи на зменшений вихід прототипу, дослідники впевнені, що вони можуть розширити цю технологію на вершині системи промислового рівня, яка може заряджати та заряджати до 10,000 разів, створюючи батарею в масштабній сітці з корисним терміном служби, що перевищує швидкість десятиліття.
Йі Куй, професор матеріалознавства в Стенфордському університеті і старший автор статті, каже, що технологія марганцево-водневої батареї може бути однією з відсутніх частин енергетичної загадки країни - способом зберігання непередбачуваної вітрової або сонячної енергії, щоб зменшити її необхідність спалювати надійні, але викиди вуглецю викопні види палива, коли відновлювані джерела недоступні.
"Те, що ми зробили, кинув спеціальну сіль у воду, впав в електрод і створив оборотну хімічну реакцію, яка зберігає електрони у вигляді газу водню", - говорить Куй.
Розумна хімія
Вей Чень, докторантура в лабораторії Куя, керував командою, яка придумала концепцію та побудувала прототип. По суті, дослідники створили зворотний обмін електронами між водою та сульфатом марганцю, дешевою, рясною промисловою сіллю, яка використовується для виготовлення сухих клітинних батарей, добрив, паперу та інших продуктів.
Щоб імітувати, як вітровий або сонячний джерело може подавати живлення в акумулятор, дослідники приєднали джерело живлення до прототипу. Електрони, що протікають в реакції з розчиненим у воді сульфатом марганцю, залишають частинки діоксиду марганцю, що чіпляються до електродів. Надлишки електронів пузирилися як водень, зберігаючи цю енергію для подальшого використання.
Інженери знають, як відновити електроенергію з енергії, що зберігається у водневому газі, тому важливим наступним кроком було довести, що вони можуть зарядити акумулятор на водній основі.
Дослідники зробили це, повернувши джерело живлення до виснаженого прототипу, цього разу з метою примусити частинки діоксиду марганцю, що чіпляються за електрод, поєднуватись з водою, поповнюючи сульфат солі марганцю. Після того, як цей процес відновив сіль, надходять електрони стали надлишковими, а надлишкова потужність може пузиритися як водень, методом, який можна повторювати знову і знову і знову.
Cui підрахував, що, враховуючи очікуваний термін експлуатації акумуляторної батареї на водній основі, коштуватиме копійки, щоб зберегти достатньо електроенергії для живлення лампочки 100-ваттом протягом дванадцяти годин.
«Ми віримо, що ця технологія прототипу зможе відповідати цілям Міністерства енергетики щодо практичності використання електричних накопичувачів масштабу», - говорить Куй.
Міністерство енергетики (DOE) рекомендує акумулятори для зберігання в масштабах сітки повинні зберігати і потім розряджати щонайменше кіловат енергії 20 протягом години, мати здатність принаймні перезаряджати 5,000 і мати корисний термін експлуатації 10 років або більше. Щоб зробити це практичним, така система акумуляторів повинна коштувати $ 2,000 або менше, або $ 100 за кіловат-годину.
Колишній секретар Міністерства оборонів та лауреат Нобелівської премії Стівен Чу, нині професор Стенфорда, вже давно зацікавлений у заохоченні технологій для сприяння переходу країни до відновлюваної енергії.
"Хоча точні матеріали та дизайн все ще потребують розробки, цей прототип демонструє тип науки та техніки, які пропонують нові способи досягнення недорогих, довготривалих, корисних батарей", - говорить Чу, який не був членом дослідницька група.
Харчування електромережі
За оцінками DOE, близько 70 відсотків електроенергії в США виробляється вугіллями або природними газовими установками, на які припадає 40 відсоток викидів вуглекислого газу. Перехід на генерацію вітру та сонячної енергії - один із способів зменшити ці викиди. Але це створює нові проблеми, пов'язані з мінливістю джерела живлення. Найбільш очевидно, що сонце світить лише вдень, а іноді вітер не дме.
Але ще одна менш зрозуміла, але важлива форма мінливості випливає із стрибків попиту на електромережу - тієї мережі проводів високої напруги, які розподіляють електроенергію по регіонах і, нарешті, до будинків. У спекотний день, коли люди повертаються додому з роботи і спрацьовують кондиціонер, комунальні підприємства повинні мати стратегії балансування навантаження для задоволення пікового попиту: певний спосіб підвищити генерацію електроенергії протягом декількох хвилин, щоб уникнути відключень або відключень, які інакше можуть збити мережу .
Сьогодні комунальні підприємства часто досягають цього шляхом випуску електростанцій на вимогу чи “розвантажувальних” електростанцій, які можуть лежати простою частину дня, але можуть прийти в Інтернет протягом декількох хвилин, виробляючи швидку енергію, але збільшуючи викиди вуглецю. Деякі комунальні підприємства розробили короткочасне збалансування навантаження, яке не покладається на установки, що спалюють викопне паливо.
Найпоширенішою та найефективнішою такою стратегією є накачування гідроелектричних сховищ: використання надлишкової енергії для надсилання води в гору, а потім давання їй стікати назад вниз для отримання енергії під час пікового попиту. Однак гідроелектричні сховища працюють лише в регіонах з достатньою кількістю води та простору. Щоб зробити вітер та сонячну енергію більш корисними, DOE заохочує батареї високої ємності як альтернативу.
Перемогу над змаганням
Cui каже, що на ринку існує кілька типів технологій акумуляторних батарей, але не зрозуміло, які підходи будуть відповідати вимогам DOE та довести їх практичність для комунальних підприємств, регуляторів та інших зацікавлених сторін, які підтримують електромережу країни.
Наприклад, Cui каже, що літій-іонні акумуляторні батареї, що зберігають невелику кількість енергії, необхідної для роботи телефонів та ноутбуків, базуються на рідкісних матеріалах, а тому є занадто дорогими для зберігання енергії для мікрорайону чи міста. За словами Цуй, для зберігання в сітці потрібен недорогий акумулятор з високою ємністю. Мангано-водневий процес здається перспективним.
"Інші технології акумуляторних батарей легко перевищують п’ять разів більше, ніж коштують", - додає Куй.
Чен каже, що нова хімія, недорогі матеріали та відносна простота зробили марганцево-водневий акумулятор ідеальним для недорогих розгортки в електромережі.
Прототипу потрібна робота по розробці, щоб зарекомендувати себе. З одного боку, вона використовує платину як каталізатор, щоб стимулювати найважливіші хімічні реакції на електроді, які роблять процес перезарядки ефективним, а вартість цього компонента буде непомірною для масштабного розгортання. Але Чен каже, що команда вже працює над дешевшими способами розпалити сульфат марганцю та воду для здійснення оборотного обміну електронами.
"Ми визначили каталізатори, які можуть привести нас до мети DOE $ 100 за кіловат-годину", - говорить він.
Дослідники повідомляють, що роблять заряди 10,000 прототипів, що вдвічі перевищує вимоги DOE, але кажуть, що потрібно буде протестувати марганцево-водневий акумулятор у реальних умовах зберігання електричної мережі, щоб справді оцінити його життєві показники та вартість.
Цуй каже, що він прагнув патентувати процес через Стенфордський офіс ліцензування технологій і планує створити компанію для комерціалізації системи.
Про авторів
Йі Куй, професор матеріалознавства в Стенфордському університеті, є старшим автором статті. Додаткові співавтори - з Китайської академії наук та Стенфорда. Департамент енергетики фінансував дослідження.
джерело: Стенфордський університет
Суміжні книги
at InnerSelf Market і Amazon
