Hình ảnh tín dụng: GabrielleMerk. Wikimedia.org (ảnh #46)

Các nhà nghiên cứu cho biết, một loại pin dựa trên nước mới có thể cung cấp một cách rẻ tiền để lưu trữ năng lượng gió hoặc mặt trời cho sau này.

Pin lưu trữ năng lượng được tạo ra khi mặt trời chiếu sáng và gió thổi để nó có thể được đưa trở lại vào lưới điện và phân phối lại khi nhu cầu cao.

Nguyên mẫu pin mangan-hydro, được báo cáo trong Năng lượng thiên nhiên, chỉ cao ba inch và tạo ra một giờ điện cực 20 milliwatt, ngang bằng với mức năng lượng của đèn pin LED treo trên vòng chìa khóa.

Bất chấp đầu ra nhỏ bé của nguyên mẫu, các nhà nghiên cứu tự tin rằng họ có thể mở rộng công nghệ hàng đầu này thành một hệ thống cấp công nghiệp có thể sạc và sạc lại tới 10,000 lần, tạo ra một pin quy mô lưới với tuổi thọ hữu ích vượt quá một thập kỷ.

Yi Cui, giáo sư khoa học vật liệu tại Đại học Stanford và là tác giả chính của bài báo, cho biết công nghệ pin mangan-hydro có thể là một trong những mảnh ghép còn thiếu trong câu đố năng lượng của quốc gia, một cách để lưu trữ năng lượng mặt trời hoặc gió khó lường để giảm bớt nhu cầu đốt nhiên liệu hóa thạch đáng tin cậy nhưng phát thải carbon khi các nguồn tái tạo không có sẵn.

Những gì chúng tôi đã làm là ném một loại muối đặc biệt vào nước, thả vào điện cực và tạo ra một phản ứng hóa học có thể đảo ngược, lưu trữ các electron dưới dạng khí hydro, theo ông Cui.

Thông minh hóa học

Wei Chen, một học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Cui, đã lãnh đạo nhóm mơ ước về ý tưởng và chế tạo nguyên mẫu. Về bản chất, các nhà nghiên cứu đã dỗ một sự trao đổi điện tử có thể đảo ngược giữa nước và mangan sulfat, một loại muối công nghiệp rẻ tiền, dồi dào được sử dụng để sản xuất pin khô, phân bón, giấy và các sản phẩm khác.

Để bắt chước làm thế nào một nguồn gió hoặc năng lượng mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho pin, các nhà nghiên cứu đã gắn một nguồn năng lượng vào nguyên mẫu. Các electron chảy trong phản ứng với mangan sulfat hòa tan trong nước để lại các hạt mangan dioxide bám vào các điện cực. Các electron dư thừa sủi bọt như khí hydro, lưu trữ năng lượng đó để sử dụng trong tương lai.

Các kỹ sư biết cách tạo lại điện từ năng lượng được lưu trữ trong khí hydro, vì vậy bước tiếp theo quan trọng là chứng minh rằng họ có thể sạc lại pin dựa trên nước.

Các nhà nghiên cứu đã làm điều này bằng cách gắn lại nguồn năng lượng của chúng vào nguyên mẫu đã cạn kiệt, lần này với mục đích tạo ra các hạt mangan dioxide bám vào điện cực để kết hợp với nước, bổ sung muối mangan sulfat. Một khi quá trình này phục hồi muối, các electron tới trở nên dư thừa và năng lượng dư thừa có thể bong bóng dưới dạng khí hydro, theo phương pháp có thể lặp đi lặp lại nhiều lần.

Cui ước tính, với tuổi thọ dự kiến ​​của pin nước, sẽ tốn một xu để lưu trữ đủ điện để cung cấp năng lượng cho bóng đèn 100-watt trong mười hai giờ.

Cận Bình Chúng tôi tin rằng công nghệ nguyên mẫu này sẽ có thể đáp ứng các mục tiêu của Bộ Năng lượng cho tính thực tế của việc lưu trữ điện ở quy mô tiện ích, theo Cui.

Bộ Năng lượng (DOE) đã khuyến nghị pin để lưu trữ ở quy mô lưới nên lưu trữ và sau đó xả ít nhất là kilôgam điện năng trong một giờ, có khả năng sạc lại ít nhất là 20 và có tuổi thọ hữu ích là năm 5,000 hoặc hơn. Để làm cho nó thực tế, một hệ thống pin như vậy nên có giá $ 10 hoặc ít hơn, hoặc $ 2,000 mỗi kilowatt giờ.

Cựu thư ký DOE và người đoạt giải Nobel Steven Chu, hiện là giáo sư tại Stanford, có mối quan tâm lâu dài trong việc khuyến khích các công nghệ giúp quốc gia chuyển đổi sang năng lượng tái tạo.

Chu Trong khi các vật liệu và thiết kế chính xác vẫn cần phát triển, nguyên mẫu này cho thấy loại khoa học và kỹ thuật gợi ý những cách mới để đạt được pin giá rẻ, lâu dài, quy mô tiện ích, ông Chu, người không phải là thành viên của đội nghiên cứu.

Cấp nguồn cho lưới điện

Theo ước tính của DOE, khoảng 70 phần trăm điện của Hoa Kỳ được tạo ra bởi các nhà máy than hoặc khí đốt tự nhiên, chiếm phần trăm lượng phát thải carbon dioxide. Chuyển sang phát điện gió và mặt trời là một cách để giảm lượng khí thải đó. Nhưng điều đó tạo ra những thách thức mới liên quan đến sự thay đổi của nguồn cung cấp năng lượng. Rõ ràng nhất, mặt trời chỉ chiếu sáng theo ngày và đôi khi, gió không thổi.

Nhưng một dạng biến đổi ít được hiểu rõ hơn nhưng quan trọng khác đến từ sự gia tăng nhu cầu trên mạng lưới lưới, mạng lưới dây điện cao thế phân phối điện qua các khu vực và cuối cùng đến nhà. Vào một ngày nóng nực, khi mọi người đi làm về và bật điều hòa, các tiện ích phải có chiến lược cân bằng tải để đáp ứng nhu cầu cao nhất: một số cách để tăng cường phát điện trong vài phút để tránh mất điện hoặc mất điện có thể làm mất điện lưới .

Ngày nay, các tiện ích thường thực hiện điều này bằng cách khai thác các nhà máy điện theo yêu cầu hoặc có thể điều khiển được, có thể nằm im trong nhiều ngày nhưng có thể trực tuyến trong vòng vài phút, sản xuất năng lượng nhanh nhưng tăng lượng khí thải carbon. Một số tiện ích đã phát triển cân bằng tải ngắn hạn không phụ thuộc vào các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch.

Chiến lược phổ biến và hiệu quả nhất về chi phí như vậy là bơm lưu trữ thủy điện: sử dụng năng lượng dư thừa để gửi nước lên cao, sau đó để nó chảy ngược xuống để tạo ra năng lượng trong nhu cầu cao nhất. Tuy nhiên, lưu trữ thủy điện chỉ hoạt động ở những vùng có đủ nước và không gian. Vì vậy, để làm cho gió và mặt trời trở nên hữu ích hơn, DOE đã khuyến khích pin dung lượng cao thay thế.

Đánh bại cuộc thi

Cui cho biết có một số loại công nghệ pin sạc trên thị trường, nhưng không rõ phương pháp nào sẽ đáp ứng yêu cầu của DOE và chứng minh tính thực tế của chúng đối với các tiện ích, cơ quan quản lý và các bên liên quan khác đang duy trì lưới điện quốc gia.

Ví dụ, Cui cho biết pin lithium ion có thể sạc lại, lưu trữ một lượng nhỏ năng lượng cần thiết để chạy điện thoại và máy tính xách tay, dựa trên các vật liệu hiếm và do đó quá tốn kém để lưu trữ năng lượng cho khu phố hoặc thành phố. Cui cho biết việc lưu trữ ở quy mô lưới đòi hỏi phải có pin sạc, dung lượng cao, chi phí thấp. Quá trình mangan-hydro có vẻ đầy hứa hẹn.

Các công nghệ pin sạc khác có thể dễ dàng hơn gấp năm lần chi phí đó trong suốt thời gian sử dụng.

Chen nói rằng hóa học mới, vật liệu chi phí thấp và sự đơn giản tương đối đã làm cho pin mangan-hydro lý tưởng cho việc triển khai quy mô lưới điện chi phí thấp.

Các nguyên mẫu cần công việc phát triển để chứng minh chính nó. Đối với một điều, nó sử dụng bạch kim làm chất xúc tác để thúc đẩy các phản ứng hóa học quan trọng ở điện cực làm cho quá trình nạp lại hiệu quả và chi phí của thành phần đó sẽ bị cấm khi triển khai trên quy mô lớn. Nhưng Chen nói rằng nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các cách rẻ hơn để dỗ sulfate mangan và nước để thực hiện trao đổi điện tử thuận nghịch.

Chúng tôi đã xác định được các chất xúc tác có thể đưa chúng tôi xuống dưới mức mục tiêu DOE $ 100 mỗi giờ, mỗi giờ, ông nói.

Các nhà nghiên cứu báo cáo thực hiện việc sạc lại 10,000 của các nguyên mẫu, gấp đôi yêu cầu DOE, nhưng nói rằng sẽ cần phải kiểm tra pin mangan-hydro trong điều kiện lưu trữ lưới điện thực tế để đánh giá hiệu suất và chi phí trọn đời của nó.

Cui cho biết ông đã tìm cách cấp bằng sáng chế cho quá trình thông qua Văn phòng cấp phép công nghệ Stanford và có kế hoạch thành lập một công ty để thương mại hóa hệ thống.

Về các tác giả

Yi Cui, giáo sư khoa học vật liệu tại Đại học Stanford, là tác giả cao cấp của bài báo. Các đồng tác giả khác đến từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Stanford. Bộ Năng lượng đã tài trợ cho nghiên cứu.

nguồn: Đại học Stanford

Sách liên quan

at Thị trường InnerSelf và Amazon