Kuva: GabrielleMerk. Wikimedia.org (kuva #46)
Uusi vesipohjainen akku voisi tarjota halpaa tapaa tallentaa tuuli- tai aurinkoenergiaa myöhemmin, tutkijat sanovat.
Akku tallentaa energiaa, joka syntyy, kun aurinko paistaa ja tuuli puhaltaa, joten se voidaan syöttää takaisin sähköverkkoon ja jakaa uudelleen, kun kysyntä on korkea.
Mangaani- ja vetyakun prototyyppi, josta on raportoitu Luontoenergia, seisoo vain kolme tuumaa pitkä ja tuottaa vain 20 milliwattituntia sähköä, joka on samankaltainen kuin LED-taskulamppujen, jotka ripustavat avainrenkaalla, energian tasot.
Prototyypin pienentävästä tuotoksesta huolimatta tutkijat luottavat siihen, että ne voivat skaalata tätä pöytätietotekniikkaa teollisuudelle, joka voi ladata ja ladata jopa 10,000-aikoja ja luoda ruudukon akun, jonka käyttöikä on paljon parempi kuin vuosikymmenellä.
Yd Cui, Stanfordin yliopiston materiaalitieteen professori ja paperin johtava tekijä, sanoo, että mangaani-vety-akkuteknologia voisi olla yksi puuttuvista kappaleista maan energian palapelissä - tapa tallentaa ennalta arvaamattomia tuuli- tai aurinkoenergiaa vähentääkseen tarve polttaa luotettavia mutta hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia fossiilisia polttoaineita, kun uusiutuvia energialähteitä ei ole saatavilla.
”Se, mitä olemme tehneet, heitetään erityiseen suolaan veteen, pudotettiin elektrodiin, ja luotiin palautuva kemiallinen reaktio, joka tallentaa elektronit vetykaasun muodossa”, Cui sanoo.
Älykäs kemia
Wei Chen, tutkijatohtori Cui: n laboratoriossa, johti ryhmää, joka unelmoi konseptin ja rakensi prototyypin. Pohjimmiltaan tutkijat suostuivat käänteiseen elektroninvaihtoon veden ja mangaanisulfaatin välillä, joka oli halpa, runsas teollinen suola, jota käytettiin kuiva-akkujen, lannoitteiden, paperin ja muiden tuotteiden valmistukseen.
Jotta jäljitettäisiin, miten tuuli- tai aurinkolähde saattaa syöttää virtaa akkuun, tutkijat kiinnittivät virtalähteen prototyyppiin. Elektronit, jotka virtaavat, reagoivat veteen liuotetun mangaanisulfaatin kanssa jättääkseen mangaanidioksidin hiukkaset kiinni elektrodeihin. Ylimääräiset elektronit kuplivat vetykaasuna, tallentamalla energian tulevaa käyttöä varten.
Insinöörit osaavat luoda uudelleen sähköä vedyn sisältämästä energiasta, joten tärkeä seuraava askel oli todistaa, että ne voivat ladata vesipohjaisen akun.
Tutkijat tekivät tämän liittämällä voimanlähteensä tyhjentyneeseen prototyyppiin, tällä kertaa tavoitteenaan indusoida elektrodiin tarttuvat mangaanidioksidipartikkelit yhdistymään veteen ja täydentävät mangaanisulfaattisuolaa. Kun tämä prosessi palautti suolan, saapuvat elektronit tulivat ylijäämiksi, ja ylimääräinen teho kuplisti vedyn kaasuna, menetelmällä, joka voidaan toistaa uudestaan ja uudestaan ja uudestaan.
Cui arvioi, että kun otetaan huomioon vesipohjaisen akun odotettavissa oleva käyttöikä, se maksaisi penniäkään säilyttämään tarpeeksi sähköä 100-wattilampun käyttämiseen 12 tunnin ajan.
”Uskomme, että tämä prototyyppiteknologia pystyy täyttämään energiaministeriön tavoitteet hyödyllisyysasteikon sähköisen varastoinnin käytännöllisyydestä”, Cui sanoo.
Energian laitos (DOE) on suositellut paristoja verkkojen varastointiin, ja niiden on säilytettävä ja purettava vähintään 20-kilowatti teho tunnin kuluessa, ne on voitava ladata vähintään 5,000, ja niiden käyttöikä on oltava 10-vuosia tai lisää. Jotta se olisi käytännöllistä, tällaisen akkujärjestelmän pitäisi maksaa $ 2,000 tai vähemmän tai $ 100 kilowattitunnilta.
Entinen DOE-sihteeri ja Nobel-palkinnonsaaja Steven Chu, nykyisin Stanfordin professori, on jo pitkään kiinnostunut kannustamaan teknologioita, jotka auttavat kansakuntaa siirtymään uusiutuvaan energiaan.
”Vaikka tarkat materiaalit ja muotoilu tarvitsevat edelleen kehitystä, tämä prototyyppi osoittaa tieteen ja tekniikan tyypin, joka ehdottaa uusia tapoja saavuttaa edulliset, pitkäkestoiset, hyödyllisyysakut,” sanoo Chu, joka ei ollut jäsenenä tutkimusryhmä.
Verkon kytkeminen
DOE: n arvioiden mukaan hiilidioksidi- tai maakaasulaitokset tuottavat noin 70-prosenttia Yhdysvaltain sähköstä, mikä vastaa 40-prosenttia hiilidioksidipäästöistä. Siirtyminen tuuli- ja aurinkoenergiaan on yksi tapa vähentää näitä päästöjä. Tämä luo kuitenkin uusia haasteita, jotka liittyvät virtalähteen vaihteluun. Ilmeisimmin aurinko paistaa vain päivällä, ja joskus tuuli ei puhalla.
Mutta toinen heikommin ymmärretty, mutta tärkeä vaihteluväli tulee verkkoon kohdistuvasta kysynnän noususta, joka on korkeajännitteisten johtojen verkko, joka jakaa sähköä alueille ja lopulta koteihin. Kuumana päivänä, kun ihmiset tulevat kotiin töistä ja kamppailevat ilmastointilaitteella, apuohjelmilla on oltava kuormituksen tasapainottamisstrategiat huippukysynnän täyttämiseksi: jotakin keinoa tehostaa energiantuotantoa muutamassa minuutissa, jotta vältetään räjähdykset tai sähkökatkokset, jotka saattavat muuten alentaa verkkoon .
Nykyään apuohjelmat suorittavat tämän usein ampumalla tilaus- tai "lähetettäviä" voimalaitoksia, jotka saattavat olla käyttämättömiä paljon päivää, mutta jotka voivat tulla verkkoon muutamassa minuutissa - tuottaa nopeasti energiaa, mutta lisää hiilidioksidipäästöjä. Jotkut laitokset ovat kehittäneet lyhyen aikavälin kuormituksen tasapainottamista, joka ei perustu fossiilisten polttoaineiden polttolaitoksiin.
Yleisin ja kustannustehokkain tällainen strategia on pumpata vesivoiman varastointia: käytetään ylimääräistä tehoa veden siirtämiseksi ylämäkeen, minkä jälkeen se voi virrata takaisin energian tuottamiseksi huippukysynnän aikana. Vesivoimalaitos toimii kuitenkin vain alueilla, joilla on riittävästi vettä ja tilaa. Jotta tuuli- ja aurinkokennot olisivat käyttökelpoisempia, DOE on kannustanut suurkapasiteettisia paristoja vaihtoehtoisesti.
Kilpailun voittaminen
Cui sanoo, että markkinoilla on useita eri tyyppisiä ladattavia akkuteknologioita, mutta ei ole selvää, mitkä lähestymistavat täyttävät DOE-vaatimukset ja todistavat käytännöllisyytensä apuohjelmille, sääntelyviranomaisille ja muille sidosryhmille, jotka ylläpitävät maan sähköverkkoa.
Esimerkiksi Cui sanoo, että ladattavat litiumioniakut, jotka tallentavat puhelinten ja kannettavien tietokoneiden käyttämiseen tarvittavia pieniä energiamääriä, perustuvat harvinaisiin materiaaleihin ja ovat siksi liian kalliita tallentamaan virtaa naapurustoon tai kaupunkiin. Cui sanoo, että verkkotason varastointi vaatii edullista, suurikapasiteettista, ladattavaa akkua. Mangaani-vety-prosessi näyttää lupaavalta.
”Muut ladattavat akkuteknologiat ovat helposti yli viisi kertaa suuremmat kuin elinkaaren aikana”, Cui lisää.
Chen sanoo, että uusi kemia, edulliset materiaalit ja suhteellinen yksinkertaisuus ovat tehneet mangaani- vetyakun ihanteellisesti edulliseen verkkoon.
Prototyyppi vaatii kehitystyötä todistamaan itsensä. Ensinnäkin se käyttää platinaa katalysaattorina kannustaakseen tärkeitä kemiallisia reaktioita elektrodissa, jotka tekevät latausprosessista tehokkaan, ja kyseisen komponentin kustannukset olisivat kiellettyjä laajamittaista käyttöönottoa varten. Mutta Chen sanoo, että tiimi työskentelee jo halvemmilla tavoilla mangaanisulfaatin ja veden levittämiseksi reversiibelin elektroninvaihdon suorittamiseksi.
”Olemme tunnistaneet katalyytit, jotka voisivat tuoda meidät alle $ 100-kilowattitunnin DOE-tavoitteen”, hän sanoo.
Tutkijat ilmoittavat tekemänsä 10,000-lataukset prototyypeistä, mikä on kaksinkertainen DOE-vaatimuksiin, mutta sanoa, että on tarpeen testata mangaani- ja vetyakku todellisissa sähköverkon varastointiolosuhteissa, jotta voidaan arvioida todella sen elinkaaren suorituskyky ja kustannukset.
Cui sanoo, että hän on pyrkinyt patentoimaan prosessin Stanford Office of Technology Licensingin kautta ja aikoo muodostaa yrityksen kaupallistamaan järjestelmää.
Tietoja Tekijät
Paperin johtava tekijä on Stanfordin yliopiston materiaalitieteen professori Yi Cui. Muita kirjailijoita ovat Kiinan tiedeakatemia ja Stanford. Energiaministeriö rahoitti tutkimusta.
Lähde: Stanfordin yliopisto
Liittyvät kirjat
at InnerSelf Market ja Amazon
