Фото: Габриэль Мерк. Wikimedia.org (фото №46)
Исследователи говорят, что новая батарея на водной основе может обеспечить дешевый способ хранения энергии ветра или солнечной энергии.
Аккумулятор хранит энергию, вырабатываемую, когда светит солнце и дует ветер, поэтому ее можно вернуть обратно в электросеть и перераспределить, когда спрос высок.
Прототип марганцево-водородной батареи, сообщается в Природа Энергетика, имеет высоту всего три дюйма и генерирует всего 20 милливатт-часов электроэнергии, что соответствует уровню энергии светодиодных фонариков, висящих на брелоке для ключей.
Несмотря на небольшую мощность прототипа, исследователи уверены, что смогут масштабировать эту настольную технологию до системы промышленного уровня, способной заряжаться и перезаряжаться до 10,000 XNUMX раз, создавая аккумуляторную батарею с полезным сроком службы, значительно превышающим XNUMX XNUMX раз. десятилетие.
И Цуй, профессор материаловедения в Стэнфордском университете и старший автор статьи, говорит, что технология марганцево-водородных батарей может быть одной из недостающих частей в энергетической головоломке страны — способом хранить непредсказуемую энергию ветра или солнца, чтобы уменьшить необходимость сжигать надежное ископаемое топливо с выбросами углерода, когда возобновляемые источники недоступны.
«Мы бросили специальную соль в воду, поместили электрод и создали обратимую химическую реакцию, которая сохраняет электроны в виде газообразного водорода», — говорит Куи.
Умная химия
Вэй Чен, научный сотрудник лаборатории Цуя, возглавил команду, которая разработала концепцию и построила прототип. По сути, исследователи добились обратимого электронного обмена между водой и сульфатом марганца, дешевой и распространенной промышленной солью, используемой для производства сухих батарей, удобрений, бумаги и других продуктов.
Чтобы имитировать то, как источник энергии ветра или солнца может подавать энергию в батарею, исследователи прикрепили к прототипу источник питания. Поступавшие электроны вступали в реакцию с растворенным в воде сульфатом марганца, в результате чего частицы диоксида марганца прилипали к электродам. Избыточные электроны выделялись в виде газообразного водорода, сохраняя эту энергию для использования в будущем.
Инженеры знают, как воссоздать электричество из энергии, хранящейся в газообразном водороде, поэтому следующим важным шагом было доказать, что они могут перезарядить аккумулятор на водной основе.
Исследователи сделали это, повторно подключив источник питания к истощенному прототипу, на этот раз с целью заставить частицы диоксида марганца, прилипшие к электроду, соединиться с водой, пополнив запасы сульфата марганца. Как только этот процесс восстановит соль, поступающие электроны станут избыточными, а избыточная мощность может выйти наружу в виде газообразного водорода. Этот метод можно повторять снова и снова.
По оценкам Куи, учитывая ожидаемый срок службы батареи на водной основе, хранение достаточного количества электроэнергии для питания 100-ваттной лампочки в течение двенадцати часов будет стоить копейки.
«Мы считаем, что этот прототип технологии сможет удовлетворить цели Министерства энергетики по практичности хранения электроэнергии в масштабах коммунальных предприятий», — говорит Цуй.
Министерство энергетики (DOE) рекомендовало, чтобы аккумуляторы для хранения в масштабе сети сохраняли и затем разряжали мощность не менее 20 киловатт в течение часа, выдерживали не менее 5,000 перезарядок и имели срок полезного использования 10 лет или более. более. Чтобы сделать это практичным, такая аккумуляторная система должна стоить 2,000 долларов или меньше, или 100 долларов за киловатт-час.
Бывший секретарь Министерства энергетики и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу, ныне профессор Стэнфорда, давно заинтересован в поощрении технологий, которые помогут стране перейти на возобновляемые источники энергии.
«Хотя точные материалы и конструкция все еще нуждаются в доработке, этот прототип демонстрирует тот тип науки и техники, который предлагает новые способы создания недорогих, долговечных и полезных аккумуляторов», — говорит Чу, который не был членом Исследовательская команда.
Питание сети
По оценкам Министерства энергетики, около 70 процентов электроэнергии в США вырабатывается на угольных или газовых электростанциях, на долю которых приходится 40 процентов выбросов углекислого газа. Переход на ветровую и солнечную генерацию является одним из способов сокращения этих выбросов. Но это создает новые проблемы, связанные с нестабильностью источника питания. Очевидно, что солнце светит только днем и иногда ветер не дует.
Но другая, менее понятная, но важная форма изменчивости возникает из-за скачков спроса на энергосистему — сеть проводов высокого напряжения, которые распределяют электроэнергию по регионам и, в конечном итоге, по домам. В жаркий день, когда люди приходят домой с работы и включают кондиционер, коммунальные предприятия должны иметь стратегии балансировки нагрузки для удовлетворения пикового спроса: какой-то способ увеличить выработку электроэнергии в течение нескольких минут, чтобы избежать отключений или отключений электроэнергии, которые в противном случае могли бы привести к сбою в сети. .
Сегодня коммунальные предприятия часто достигают этого, запуская электростанции по требованию или «диспетчерские» электростанции, которые могут простаивать большую часть дня, но могут включиться в работу в течение нескольких минут, производя быструю энергию, но увеличивая выбросы углекислого газа. Некоторые коммунальные предприятия разработали краткосрочную балансировку нагрузки, которая не зависит от электростанций, сжигающих ископаемое топливо.
Наиболее распространенной и экономически эффективной такой стратегией является гидроаккумулирование электроэнергии: использование избыточной энергии для подачи воды вверх, а затем ее стекание обратно вниз для выработки энергии во время пикового спроса. Однако гидроаккумулирование работает только в регионах с достаточным количеством воды и пространства. Поэтому, чтобы сделать ветер и солнечную энергию более полезными, Министерство энергетики предложило в качестве альтернативы использовать батареи большой емкости.
Победа над конкурентами
Цуй говорит, что на рынке существует несколько типов технологий перезаряжаемых аккумуляторов, но неясно, какие подходы будут соответствовать требованиям Министерства энергетики и доказывать свою практичность коммунальным предприятиям, регулирующим органам и другим заинтересованным сторонам, которые обслуживают электрическую сеть страны.
Например, Цуй говорит, что перезаряжаемые литий-ионные батареи, которые хранят небольшое количество энергии, необходимой для работы телефонов и ноутбуков, основаны на редких материалах и поэтому слишком дороги, чтобы хранить электроэнергию для района или города. Цуй говорит, что для хранения данных в масштабе сети требуется недорогая перезаряжаемая батарея большой емкости. Марганцево-водородный процесс кажется многообещающим.
«Другие технологии перезаряжаемых аккумуляторов обходятся более чем в пять раз дороже в течение срока службы», — добавляет Цуй.
Чен говорит, что новый химический состав, недорогие материалы и относительная простота сделали марганцево-водородную батарею идеальной для недорогого развертывания в масштабе сети.
Прототип нуждается в разработке, чтобы доказать свою эффективность. Во-первых, он использует платину в качестве катализатора, чтобы стимулировать важнейшие химические реакции на электроде, которые делают процесс перезарядки эффективным, а стоимость этого компонента была бы непомерно высокой для крупномасштабного внедрения. Но Чен говорит, что команда уже работает над более дешевыми способами заставить сульфат марганца и воду осуществить обратимый обмен электронами.
«Мы определили катализаторы, которые могут привести нас к снижению целевого показателя Министерства энергетики США в 100 долларов за киловатт-час», — говорит он.
Исследователи сообщают, что прототипам пришлось выполнить 10,000 XNUMX перезарядок, что в два раза превышает требования Министерства энергетики, но говорят, что необходимо будет протестировать марганцево-водородную батарею в реальных условиях хранения в электрической сети, чтобы по-настоящему оценить ее эксплуатационные характеристики и стоимость в течение всего срока службы.
Цюй говорит, что он пытался запатентовать этот процесс через Стэнфордское управление по лицензированию технологий и планирует создать компанию для коммерциализации системы.
Об авторах
И Цуй, профессор материаловедения Стэнфордского университета, является старшим автором статьи. Дополнительные соавторы из Китайской академии наук и Стэнфорда. Исследование финансировалось Министерством энергетики.
Источник: Стэнфордский университет
Книги по этой теме
at Внутренний рынок самовыражения и Amazon
