Photo Credit: GabrielleMerk. Wikimedia.org (bilde # 46)
Et nytt vannbasert batteri kan gi en billig måte å lagre vind eller solenergi på senere, sier forskere.
Batteriet lagrer energi som genereres når solen skinner og vinden blåser, slik at den kan mates tilbake til elnettet og omfordeles når etterspørselen er høy.
Prototypen mangan-hydrogenbatteri, rapportert i Natur Energi, står bare tre inches høy og genererer bare 20 milliwatt-timer med strøm, som er på nivå med energinivåene av LED-lommelykter som holder på en nøkkelring.
Til tross for prototypens reduserte produksjon, er forskerne overbevist om at de kan skalle opp denne bordtoppteknologien til et industrielt karakterisert system som kan lade opp og lade opp til 10,000-tider, og skaper et rutenettet batteri med en nyttig levetid som er godt over en tiår.
Yi Cui, professor i materialvitenskap ved Stanford University og senior forfatter av papiret, sier mangan-hydrogen-batteriteknologi kan være en av de manglende brikkene i landets energispill - en måte å lagre uforutsigbar vind eller solenergi på for å redusere behovet for å brenne pålitelige, men karbonemitterende fossile brensler når fornybare kilder ikke er tilgjengelige.
"Det vi har gjort blir kastet et spesielt salt i vann, falt i en elektrode, og skapt en reversibel kjemisk reaksjon som lagrer elektroner i form av hydrogengass," sier Cui.
Klar kjemi
Wei Chen, en postdoktor i Cui's lab, ledet laget som drømte opp konseptet og bygget prototypen. I hovedsak koaliserte forskerne en reversibel elektronutveksling mellom vann og mangansulfat, et billig, rikelig industrisalt brukt til å lage tørrecellebatterier, gjødsel, papir og andre produkter.
For å etterligne hvordan en vind- eller solkilde kan strømme inn i batteriet, kobler forskerne en strømkilde til prototypen. Elektronene som strømmer i reagert med mangansulfatet oppløst i vannet for å la partiklene av mangandioxid klamre seg til elektrodene. Overflødige elektroner boblet av som hydrogengass, lagrer den energien til fremtidig bruk.
Ingeniører vet hvordan å gjenskape elektrisitet fra energien lagret i hydrogengass, så det viktige neste trinnet var å bevise at de kan lade opp det vannbaserte batteriet.
Forskerne gjorde dette ved å feste sin kraftkilde til den utarmede prototypen, denne gangen med målet om å indusere mangandioxidpartiklene som klemmer seg til elektroden for å kombinere med vann og fylle mangansulfatsaltet. Når denne prosessen gjenopprettet saltet, ble innkommende elektroner overskudd, og overskytende kraft kunne boble av som hydrogengass, i en metode som kan gjentas igjen og igjen og igjen.
Cui anslår at det på grunn av det vannbaserte batteriets forventede levetid ville koste en krone for å lagre nok strøm til å koble en 100-watt lyspære i tolv timer.
"Vi tror at denne prototypeteknologien vil kunne møte Department of Energy-målene for brukervennlig elektrisk lagring," sier Cui.
Energiedepartementet har anbefalt batterier for lagring av nettskala, og lagre deretter minst 20 kilowatt med strøm over en periode på en time, være i stand til minst 5,000-ladninger og ha en nyttig levetid på 10 år eller mer. For å gjøre det praktisk, bør et slikt batterisystem koste $ 2,000 eller mindre, eller $ 100 per kilowatt-time.
Tidligere DOE-sekretær og nobelpristageren Steven Chu, nå professor i Stanford, har en langvarig interesse i å oppmuntre teknologier for å hjelpe nasjonen til overgang til fornybar energi.
"Selv om det nøyaktige materialet og designet fortsatt trenger utvikling, demonstrerer denne prototypen typen av vitenskap og teknologi som foreslår nye måter å oppnå lave kostnader, langvarige batterier med nyttebatteri, sier Chu, som ikke var medlem av forskningsgruppe.
Støtter rutenettet
Ifølge DOE estimater, er omtrent 70 prosent av USAs elektrisitet generert av kull- eller naturgassplanter, som står for 40 prosent av karbondioksidutslipp. Bytte til vind og solgenerering er en måte å redusere utslippene på. Men det skaper nye utfordringer som involverer variasjonen i strømforsyningen. Mest åpenbart skinner solen bare om dagen, og noen ganger blåser ikke vinden.
Men en annen mindre forstått, men viktig variasjonsmodell kommer fra overspenninger av etterspørsel på nettet - det nettverket av høyspenningsledninger som distribuerer elektrisitet over regioner og til slutt til boliger. På en varm dag, når folk kommer hjem fra jobb og sveper klimaanlegget, må verktøyene ha belastningsbalanseringsstrategier for å møte toppefterspørselen: Enkel måte å øke kraftproduksjonen i løpet av minutter for å unngå brownouts eller blackouts som ellers ville bringe ned rutenettet .
I dag utnytter verktøy ofte dette ved å skyte opp på forespørsel eller "forsendbare" kraftverk som kan ligge tomgang mye av dagen, men kan komme på nettet innen minutter, og produserer rask energi, men øker CO2-utslippene. Noen verktøy har utviklet kortsiktig lastbalansering som ikke stole på fossile brenselbrennende anlegg.
Den vanligste og mest kostnadseffektive strategien er pumpet vannkraftlagring: bruk av overskytende kraft til å sende vann oppoverbakke, og la det strømme ned igjen for å generere energi under toppspørsmålet. Men vannkraftlagring virker bare i områder med tilstrekkelig vann og rom. For å gjøre vind og sol mer nyttig har DOE oppmuntret batterier med høy kapasitet som et alternativ.
Slår konkurransen
Cui sier at det finnes flere typer oppladbare batteriteknologier på markedet, men det er ikke klart hvilke tilnærminger som vil oppfylle DOE-kravene og bevise deres praktiske egenskaper til verktøyene, regulatorene og andre interessenter som opprettholder nasjonens elnett.
For eksempel sier Cui oppladbare litiumionbatterier, som lagrer de små mengdene energi som trengs for å kjøre telefoner og bærbare datamaskiner, er basert på sjeldne materialer og er derfor for dyr til å lagre strøm til et nabolag eller en by. Cui sier at nettverkslagring krever et lavpris, høykapasitets oppladbart batteri. Mangan-hydrogenprosessen virker lovende.
"Andre oppladbare batterieteknologier er lett mer enn fem ganger med den prisen over levetiden," tilføyer Cui.
Chen sier ny kjemi, rimelige materialer og relativ enkelhet gjør at mangan-hydrogen-batteriet er ideelt for lavprisutnyttelse.
Prototypen trenger utviklingsarbeid for å bevise seg selv. For det første bruker platina som katalysator for å anspore de avgjørende kjemiske reaksjonene ved elektroden som gjør oppladningsprosessen effektiv, og kostnaden for den komponenten ville være uoverkommelig for stor distribusjon. Men Chen sier at teamet allerede jobber med billigere måter å koaksere mangansulfat og vann for å utføre reversibel elektronutveksling.
"Vi har identifisert katalysatorer som kan bringe oss under $ 100 per kilowatt-timen DOE målet," sier han.
Forskerne rapporterer å gjøre 10,000-oppladninger av prototyper, som er dobbelt så stor som DOE-kravene, men si at det vil være nødvendig å teste mangan-hydrogenbatteriet under de faktiske elektriske lagringsforholdene for å virkelig vurdere levetidens ytelse og kostnad.
Cui sier at han har forsøkt å patentere prosessen gjennom Stanford Office of Technology Licensing og planlegger å danne et selskap for kommersialisering av systemet.
Om forfatterne
Yi Cui, professor i materialvitenskap ved Stanford University, er seniorforfatter av papiret. Ytterligere medforfattere er fra det kinesiske vitenskapsakademiet og Stanford. Institutt for energi finansierte forskningen.
kilde: Stanford University
Relaterte bøker
at InnerSelf Market og Amazon
