Исследователи из Стэнфордского университета разработали батарею на водной основе, которая может обеспечить дешевый способ хранения энергии ветра или солнечной энергии, возникающей при свете солнца и ветре, поэтому её можно вернуть обратно в электрическую сетку и перераспределить, когда спрос будет высоким.
Прототип марганцево-водородной батареи, заявленный 30 апреля в Nature Energy , всего три дюйма в высоту и генерирует всего 20 милливатт часов электроэнергии, что наравне с уровнями энергии светодиодных фонарей, которые висят на брелках. Несмотря на маленький выход прототипа, исследователи уверены, что могут масштабировать эту настольную технологию до системы промышленного уровня, которая может заряжать и перезаряжать до 10 000 раз, создавая батарею сетчатой шкалы с полезной продолжительностью жизни, превышающую десятилетие.
Йи Цуй, профессор материаловедения в Стэнфорде и старший автор статьи, сказал, что технология марганцево-водородной батареи может быть одной из недостающих частей энергетической головоломки страны — способ сохранить непредсказуемый ветер или солнечную энергию, чтобы уменьшить необходимо сжигать надежные, но углеродистые ископаемые виды топлива, когда возобновляемые источники недоступны.
«То, что мы сделали, выбрасывает специальную соль в воду, падает в электрод и создает обратимую химическую реакцию, которая хранит электроны в виде газообразного водорода», — сказал Цуй.
Умная химия
Команда, которая придумала концепцию и построила прототип, возглавила Вэй Чен, аспирантка в лаборатории Цуй. По сути, исследователи уговорили обратимый электронный обмен между водой и сульфатом марганца, дешевой, изобильной промышленной солью, используемой для производства сухих батареек, удобрений, бумаги и других продуктов.
Чтобы подражать тому, как ветер или источник солнечной энергии могут подавать энергию в батарею, исследователи подключили источник питания к прототипу. Электроны, протекающие в реакции с сульфатом марганца, растворенные в воде, оставляют частицы диоксида марганца, прилипающие к электродам. Избыточные электроны барботировались как водородный газ, тем самым сохраняя эту энергию для будущего использования. Инженеры знают, как воссоздать электроэнергию из энергии, хранящейся в газообразном водороде, поэтому важным следующим шагом было доказать, что батарея на водной основе может быть перезаряжена.
Исследователи сделали это, повторно связав свой источник энергии с истощенным прототипом, на этот раз с целью побудить частицы двуокиси марганца, цепляющиеся за электрод, в сочетании с водой, пополняя соль сульфата марганца. Когда эта соль была восстановлена, входящие электроны стали излишними, и избыточная энергия могла пузыриться в виде газообразного водорода в процессе, который можно повторять снова и снова и снова.
Кюи подсчитал, что, учитывая ожидаемый срок службы батареи на основе воды, стоило бы копейки для хранения достаточного количества электроэнергии для питания 100-ваттной лампочки в течение двенадцати часов.
«Мы полагаем, что эта прототипная технология сможет соответствовать целям Департамента энергетики для практического использования электротехнического хранилища, — сказал Цуй.
Министерство энергетики США (DOE) рекомендовало использовать батареи для хранения в сетчатых шкафах, чтобы хранить, а затем разряжать не менее 20 киловатт электроэнергии в течение часа, иметь возможность по меньшей мере 5000 перезарядов и иметь полезный срок службы 10 лет или больше. Чтобы сделать его практичным, такая система батарей должна стоить 2000 долларов или меньше, или 100 долларов за киловатт-час.
Бывший секретарь Министерства энергетики и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу, ныне профессор в Стэнфорде, проявляют многолетний интерес к поощрению технологий, помогающих переходу страны на возобновляемые источники энергии.
«В то время как точные материалы и дизайн все еще нуждаются в разработке, этот прототип демонстрирует тип науки и техники, которые предлагают новые способы достижения недорогих, долговечных и полезных батарей», — сказал Чу, который не был членом Исследовательская команда.
Переход от углерода
По оценкам DOE , около 70 процентов электроэнергии в США генерируется на заводах угля или природного газа, на которые приходится 40 процентов выбросов углекислого газа. Переход на ветровое и солнечное производство — один из способов уменьшить эти выбросы. Но это создает новые проблемы, связанные с изменчивостью энергоснабжения. Наиболее очевидно, что солнце светит днем, а иногда ветер не дует.
Но другая менее понятная, но важная форма изменчивости исходит из скачков спроса на сетку — это сеть высоковольтных проводов, которые распределяют электроэнергию по регионам и, в конечном счете, домам. В жаркий день, когда люди приходят домой с работы и запускают кондиционер, у коммунальных служб должны быть стратегии балансировки нагрузки для удовлетворения максимального спроса: какой-то способ увеличить выработку электроэнергии в течение нескольких минут, чтобы избежать обвалов или отключений, которые могли бы в противном случае снизить сетку .
Сегодня коммунальные услуги часто достигают этого путем запуска по требованию или «диспетчерских» электростанций, которые могут долгое время простаивать, но могут выходить в сеть в течение нескольких минут, производя быстрые энергии, но увеличивая выбросы углерода. Некоторые коммунальные предприятия разработали краткосрочную балансировку нагрузки, которая не зависит от установок сжигания ископаемого топлива. Наиболее распространенной и рентабельной такой стратегией является перекачивание гидроэлектрического хранилища: использование избыточной мощности для отправки воды в гору, а затем ее возврат обратно вниз для получения энергии во время пикового спроса. Однако гидроэлектрическое хранилище работает только в регионах с достаточным количеством воды и пространства. Поэтому, чтобы сделать ветер и солнечную энергию более полезными, DOE рекомендовала батареи большой емкости в качестве альтернативы.
Высокая производительность, низкая стоимость
Цуй сказал, что на рынке существует несколько типов технологий перезаряжаемых батарей, но неясно, какие подходы будут соответствовать требованиям DOE и докажут их практичность для коммунальных предприятий, регулирующих органов и других заинтересованных сторон, которые поддерживают электрическую сеть страны.
Например, Цуй сказал, что перезаряжаемые литиево-ионные батареи, которые хранят небольшое количество энергии, необходимой для работы с телефонами и ноутбуками, основаны на редких материалах и поэтому слишком дороги для хранения электроэнергии для соседства или города. Цуй сказал, что для хранения в сетке требуется недорогая, высокопроизводительная перезаряжаемая батарея. Марганцево-водородный процесс кажется многообещающим.
«Другие технологии перезаряжаемых батарей — это более чем в пять раз больше, чем затраты на срок службы», — добавил Кюи.
Чэнь сказал, что новая химия, недорогие материалы и относительная простота сделали марганцево-водородную батарею идеальной для недорогого развертывания сетки.
«Прорыв, который мы сообщаем в Nature Energy, имеет потенциал для удовлетворения критериев сетки сетки DOE», — сказал Чэнь.
Прототип нуждается в разработке, чтобы проявить себя. С одной стороны, он использует платину в качестве катализатора для стимулирования критических химических реакций на электроде, которые делают процесс перезарядки эффективным, а стоимость этого компонента будет непомерно высокой для крупномасштабного развертывания. Но Чэнь сказал, что команда уже работает над более дешевыми способами, чтобы коаксировать сульфат марганца и воду для осуществления обратимого обмена электронами. «Мы определили катализаторы, которые могли бы привести нас ниже целевого показателя DOE в размере 100 долларов за киловатт-час», — сказал он.
Исследователи сообщили о том, что выполняют 10000 перезарядков прототипов, что в два раза превышает требования DOE, но для этого необходимо будет проверить марганцево-водородную батарею в реальных условиях хранения электрической сети, чтобы действительно оценить ее производительность и стоимость.
Цуй сказал, что он пытался запатентовать процесс через Стэнфордское управление лицензирования технологий и планирует создать компанию для коммерциализации системы.
Йи Цуй также является профессором Научного управления Photon в Национальной лаборатории ускорителей SLAC, старшим научным сотрудником Института энергии Precourt , а также членом Stanford Bio-X и Института неврологии Стэнфорда . Дополнительные соавторы включают Годун Ли, приглашенного ученого по материаловедению и технике, который сейчас находится в Академии наук Китая; докторанты Хонгся Ван, Цзяю Ван, Лэй Ляо, Гуансю Чэнь и Цзянььян Ванг; приглашенный ученый Хао Чжан; и аспиранты Чжэн Лян, Ючжан Ли и Аллен Пей.
Эта работа финансировалась Департаментом энергетики.
Эта статья была первоначально опубликована Стэнфордским университетом здесь
