Foto credit: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto #46)
Een nieuwe batterij op waterbasis kan een goedkope manier zijn om wind- of zonne-energie op te slaan voor later, zeggen onderzoekers.
De batterij slaat energie op die wordt gegenereerd als de zon schijnt en de wind waait, zodat deze kan worden teruggevoerd naar het elektriciteitsnet en opnieuw kan worden verdeeld als de vraag groot is.
De prototype mangaan-waterstofbatterij, gerapporteerd in Nature Energie, staat slechts drie centimeter lang en genereert slechts 20 milliwatt uur stroom, wat vergelijkbaar is met de energieniveaus van LED-zaklampen die aan een sleutelring hangen.
Ondanks de geringe output van het prototype, zijn de onderzoekers ervan overtuigd dat ze deze tafeltechnologie kunnen opschalen naar een industrieel systeem dat tot 10,000-tijden kan opladen en opladen, waardoor een grid-scale batterij ontstaat met een nuttige levensduur die veel hoger is dan een decennium.
Yi Cui, een professor in materiaalkunde aan de Stanford University en senior auteur van de krant, zegt dat mangaan-waterstof batterijtechnologie een van de ontbrekende stukken in de energiepuzzel van de natie is - een manier om onvoorspelbare wind- of zonne-energie op te slaan om zo te verminderen de noodzaak om betrouwbare, maar koolstofuitstootende fossiele brandstoffen te verbranden wanneer de hernieuwbare bronnen niet beschikbaar zijn.
"Wat we hebben gedaan, is een speciaal zout in water geworpen, in een elektrode laten vallen, en een omkeerbare chemische reactie gecreëerd die elektronen opslaat in de vorm van waterstofgas," zegt Cui.
Slimme chemie
Wei Chen, een postdoctoraal wetenschapper in het laboratorium van Cui, leidde het team dat het concept bedacht en het prototype bouwde. In wezen hebben de onderzoekers een omkeerbare elektronenuitwisseling tussen water en mangaansulfaat uitgelokt, een goedkoop, overvloedig industrieel zout dat wordt gebruikt om droge celbatterijen, meststoffen, papier en andere producten te maken.
Om na te bootsen hoe een wind- of zonne-energiebron de accu kon voeden, hebben de onderzoekers een stroombron aan het prototype gekoppeld. De binnenstromende elektronen reageerden met het mangaansulfaat opgelost in het water om deeltjes mangaandioxide achter te laten aan de elektroden. Overtollige elektronen borrelen weg als waterstofgas en slaan die energie op voor toekomstig gebruik.
Technici weten hoe ze elektriciteit kunnen hercreëren van de energie die is opgeslagen in waterstofgas, dus de volgende belangrijke stap was om te bewijzen dat ze de batterij op waterbasis konden opladen.
De onderzoekers deden dit door hun krachtbron opnieuw aan het uitgeputte prototype te hechten, dit keer met als doel de mangaandioxidedeeltjes die aan de elektrode kleven te induceren om te combineren met water, waarbij het mangaansulfaatzout werd aangevuld. Toen dit proces het zout eenmaal had hersteld, kregen de binnenkomende elektronen een overschot en kon overtollig vermogen als waterstofgas afblazen, in een methode die steeds weer kan worden herhaald.
Cui schat dat het, gezien de verwachte levensduur van de batterij op waterbasis, een cent zou kosten om genoeg elektriciteit op te slaan om twaalf uur lang een 100-watt-gloeilamp van stroom te voorzien.
"Wij zijn van mening dat deze prototype-technologie in staat zal zijn om de Department of Energy-doelen te bereiken voor bruikbaarheid op praktische schaal van elektrische opslag," zegt Cui.
Het ministerie van Energie (DOE) heeft aanbevolen dat batterijen voor opslag op rooster-schaal moeten worden opgeslagen en vervolgens ten minste 20 kilowatts stroom moeten ontladen gedurende een periode van een uur, in staat zijn om ten minste 5,000 op te laden en een bruikbare levensduur hebben van 10-jaren of meer. Om het praktisch te maken, zou zo'n batterijsysteem $ 2,000 of minder moeten kosten, of $ 100 per kilowattuur.
Voormalig secretaris van DOE en Nobelprijswinnaar Steven Chu, nu professor aan Stanford, heeft een lange traditie in het stimuleren van technologieën om de overgang van de natie naar hernieuwbare energie te bevorderen.
"Hoewel de precieze materialen en het ontwerp nog steeds moeten worden ontwikkeld, demonstreert dit prototype het type wetenschap en techniek dat nieuwe manieren suggereert om goedkope, duurzame batterijen op bruikbare schaal te realiseren", zegt Chu, die geen lid was van de onderzoeks groep.
Stroomvoorziening van het net
Volgens schattingen van DOE wordt ongeveer 70 procent van de Amerikaanse elektriciteit opgewekt door kolen- of aardgascentrales, die 40 procent van de CO2-uitstoot vertegenwoordigen. Verschuiving naar wind- en zonne-opwekking is een manier om die uitstoot te verminderen. Maar dat schept nieuwe uitdagingen met betrekking tot de variabiliteit van de voeding. Meestal schijnt de zon alleen overdag en soms waait de wind niet.
Maar een andere, minder goed begrepen, maar belangrijke vorm van variabiliteit komt van stijgingen van de vraag op het elektriciteitsnet - dat netwerk van hoogspanningsdraden die elektriciteit over regio's en uiteindelijk naar huizen verdelen. Op een warme dag, wanneer mensen thuiskomen van het werk en de airconditioning aanzwengelen, moeten utilities lastevenwichtsstrategieën hebben om aan de piekvraag te voldoen: een manier om de stroomopwekking binnen enkele minuten te stimuleren om brownouts of black-outs te voorkomen die anders het raster zouden kunnen verlagen .
Tegenwoordig bereiken nutsbedrijven dit vaak door op afroep on-demand of "dispatchable" energiecentrales aan te zetten die een groot deel van de dag inactief kunnen zijn, maar binnen enkele minuten online kunnen komen, wat snelle energie produceert maar de CO2-uitstoot verhoogt. Sommige nutsbedrijven hebben taakbalancering op de korte termijn ontwikkeld die niet afhankelijk is van installaties voor het verbranden van fossiele brandstoffen.
De meest gebruikelijke en kosteneffectieve strategie is gepompte hydro-elektrische opslag: overtollig vermogen gebruiken om water bergopwaarts te sturen en vervolgens weer terug laten stromen om energie te genereren tijdens piekvraag. Hydro-elektrische opslag werkt echter alleen in regio's met voldoende water en ruimte. Om wind en zonne-energie nuttiger te maken, heeft DOE batterijen met een hoge capaciteit als een alternatief aangemoedigd.
De concurrentie verslaan
Cui zegt dat er verschillende soorten oplaadbare batterijtechnologieën op de markt zijn, maar het is niet duidelijk welke benaderingen voldoen aan de DOE-vereisten en bewijzen hun bruikbaarheid aan de nutsbedrijven, regelgevers en andere belanghebbenden die het elektriciteitsnet van de natie onderhouden.
Cui zegt bijvoorbeeld dat oplaadbare lithium-ionbatterijen, die de kleine hoeveelheden energie opslaan die nodig zijn om telefoons en laptops te laten werken, gebaseerd zijn op zeldzame materialen en daarom te prijzig zijn om energie op te slaan voor een wijk of stad. Cui zegt dat opslag op grid-scale een goedkope, oplaadbare batterij met hoge capaciteit vereist. Het mangaan-waterstofproces lijkt veelbelovend.
"Andere oplaadbare batterijtechnologieën zijn gemakkelijk meer dan vijf keer zo duur gedurende de levensduur," voegt Cui toe.
Chen zegt dat nieuwe chemie, goedkope materialen en relatieve eenvoud de mangaan-waterstofbatterij ideaal maakten voor goedkope implementatie op netschaal.
Het prototype heeft ontwikkelingswerk nodig om zichzelf te bewijzen. Om te beginnen gebruikt het platina als katalysator om de cruciale chemische reacties op de elektrode te stimuleren die het oplaadproces efficiënt maken, en de kosten van die component zouden onbetaalbaar zijn voor grootschalige inzet. Maar Chen zegt dat het team al werkt aan goedkopere manieren om het mangaansulfaat en water te coaxeren om de omkeerbare elektronenuitwisseling uit te voeren.
"We hebben katalysatoren geïdentificeerd die ons onder het DOE-doel van $ 100 per kilowattuur zouden kunnen brengen," zegt hij.
De onderzoekers melden 10,000-opladingen van de prototypen, wat twee keer de DOE-vereisten is, maar zeggen dat het nodig zal zijn om de mangaan-waterstofbatterij te testen onder werkelijke opslagcondities van het elektriciteitsnet om de levensduurprestaties en -kosten echt te beoordelen.
Cui zegt dat hij heeft geprobeerd om het proces te patenteren via het Stanford Office of Technology Licensing en is van plan om een bedrijf te vormen om het systeem te commercialiseren.
Over de auteurs
Yi Cui, een professor in materiaalkunde aan de Stanford University, is de hoofdauteur van het artikel. Extra coauteurs komen van de Chinese Academie van Wetenschappen en Stanford. Het ministerie van Energie financierde het onderzoek.
Bron: Stanford University
Verwante Boeken
at InnerSelf Market en Amazon
