Photo credit: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto #46)

Una nuova batteria a base d'acqua potrebbe fornire un modo economico per immagazzinare energia eolica o solare per un secondo momento, dicono i ricercatori.

La batteria immagazzina l'energia generata quando il sole splende e soffia il vento in modo che possa essere reimmesso nella rete elettrica e ridistribuito quando la domanda è alta.

Il prototipo di batteria al manganese-idrogeno, riportato in natura Energia, si erge a soli tre pollici di altezza e genera un semplice 20 di milliwattora di elettricità, che è alla pari con i livelli di energia delle torce a LED che pendono su un portachiavi.

Nonostante la ridotta produzione del prototipo, i ricercatori sono fiduciosi di poter scalare questa tecnologia da tavolo per un sistema di livello industriale che potrebbe caricare e ricaricare fino a 10,000 volte, creando una batteria a scala di griglia con una durata utile ben superiore a decennio.

Yi Cui, professore di scienze dei materiali alla Stanford University e autore senior del giornale, afferma che la tecnologia delle batterie all'idrogeno manganese potrebbe essere uno dei pezzi mancanti nel puzzle energetico della nazione, un modo per immagazzinare il vento imprevedibile o l'energia solare in modo da diminuire la necessità di bruciare combustibili fossili affidabili ma che emettono carbonio quando le fonti rinnovabili non sono disponibili.

"Quello che abbiamo fatto è gettato un sale speciale nell'acqua, lasciato cadere in un elettrodo e creato una reazione chimica reversibile che immagazzina elettroni sotto forma di gas idrogeno", dice Cui.

Chimica intelligente

Wei Chen, uno studioso postdottorato nel laboratorio di Cui, ha guidato il team che ha ideato il concetto e costruito il prototipo. In sostanza, i ricercatori hanno persuaso uno scambio di elettroni reversibile tra acqua e solfato di manganese, un sale industriale economico e abbondante usato per fabbricare batterie a secco, fertilizzanti, carta e altri prodotti.

Per simulare il modo in cui un vento o una fonte solare potrebbero alimentare la batteria, i ricercatori hanno collegato una fonte di energia al prototipo. Gli elettroni che scorrono hanno reagito con il solfato di manganese disciolto nell'acqua per lasciare particelle di diossido di manganese aggrappate agli elettrodi. Gli elettroni in eccesso sono esplosi come gas idrogeno, immagazzinando quell'energia per un uso futuro.

Gli ingegneri sanno come ricreare l'elettricità dall'energia immagazzinata nell'idrogeno, quindi l'importante passo successivo è dimostrare di poter ricaricare la batteria a base d'acqua.

I ricercatori hanno fatto questo riattaccando la loro fonte di energia al prototipo esaurito, questa volta con l'obiettivo di indurre le particelle di biossido di manganese aggrappate all'elettrodo da combinare con l'acqua, ricostituendo il sale di solfato di manganese. Una volta che questo processo ha ripristinato il sale, gli elettroni in entrata sono diventati in eccesso e l'eccesso di energia potrebbe esplodere come gas idrogeno, in un metodo che può essere ripetuto ancora e ancora e ancora.

Cui stima che, data la durata prevista della batteria a base d'acqua, costerebbe un centesimo per immagazzinare abbastanza elettricità per alimentare una lampadina 100-watt per dodici ore.

"Riteniamo che questa tecnologia prototipo sarà in grado di soddisfare gli obiettivi del Dipartimento di energia per la praticità di immagazzinamento elettrico su scala aziendale", afferma Cui.

Il Dipartimento di Energia (DOE) ha raccomandato che le batterie per lo stoccaggio su scala di griglia debbano immagazzinare e quindi scaricare almeno 20 kilowatt di potenza per un periodo di un'ora, essere in grado di ricaricare almeno 5,000 e avere una vita utile di 10 anni o Di Più. Per renderlo pratico, un tale sistema di batterie dovrebbe costare $ 2,000 o meno, o $ 100 per kilowattora.

L'ex segretario del DOE e premio Nobel Steven Chu, ora professore alla Stanford, ha un interesse di lunga data nell'incoraggiare le tecnologie per aiutare la transizione della nazione verso le energie rinnovabili.

"Mentre i materiali precisi e il design necessitano ancora di sviluppo, questo prototipo dimostra il tipo di scienza e ingegneria che suggerisce nuovi modi per ottenere batterie a basso costo, di lunga durata, di utilità economica", dice Chu, che non era un membro del gruppo di ricerca.

Alimentare la griglia

Secondo le stime DOE, circa il 70 percentuale dell'elettricità negli Stati Uniti è generata da impianti di carbone o di gas naturale, che rappresentano la percentuale di 40 delle emissioni di biossido di carbonio. Il passaggio al vento e alla generazione di energia solare è un modo per ridurre tali emissioni. Ma ciò crea nuove sfide che coinvolgono la variabilità della fornitura di energia. Ovviamente, il sole brilla solo di giorno e, a volte, il vento non soffia.

Ma un'altra forma meno comprensibile ma importante di variabilità deriva dagli sbalzi della domanda sulla rete: quella rete di fili ad alta tensione che distribuiscono elettricità sulle regioni e, infine, sulle case. In una giornata calda, quando le persone tornano a casa dal lavoro e aumentano l'aria condizionata, le utility devono avere strategie di bilanciamento del carico per soddisfare la domanda di punta: un modo per aumentare la generazione di energia in pochi minuti per evitare cali di tensione o blackout che potrebbero altrimenti ridurre la rete .

Oggi, le utility lo fanno spesso attivando centrali elettriche on-demand o "dispacciabili" che potrebbero rimanere inutilizzate per gran parte della giornata ma possono arrivare online in pochi minuti, producendo energia rapida ma aumentando le emissioni di carbonio. Alcune utility hanno sviluppato un bilanciamento del carico a breve termine che non si basa su impianti di combustione di combustibili fossili.

La strategia più comune ed economica è lo stoccaggio idroelettrico pompato: utilizzando l'energia in eccesso per inviare l'acqua in salita, quindi lasciarla ricadere per generare energia durante il picco di domanda. Tuttavia, lo stoccaggio idroelettrico funziona solo in regioni con acqua e spazio adeguati. Quindi, per rendere più utile l'energia eolica e solare, il DOE ha incoraggiato le batterie ad alta capacità come alternativa.

Battere la concorrenza

Cui dice che ci sono diversi tipi di tecnologie di batterie ricaricabili sul mercato, ma non è chiaro quali approcci soddisfino i requisiti del DOE e dimostrino la loro praticità alle utility, ai regolatori e agli altri stakeholder che mantengono la rete elettrica nazionale.

Per esempio, Cui dice che le batterie ricaricabili agli ioni di litio, che immagazzinano le piccole quantità di energia necessarie per far funzionare telefoni e computer portatili, sono basate su materiali rari e sono quindi troppo costose per immagazzinare energia per un quartiere o una città. Cui afferma che l'archiviazione su scala di rete richiede una batteria ricaricabile a basso costo e ad alta capacità. Il processo manganese-idrogeno sembra promettente.

"Altre tecnologie di batterie ricaricabili sono facilmente più di cinque volte di quel costo nel tempo di vita", aggiunge Cui.

Chen afferma che la nuova chimica, i materiali a basso costo e la relativa semplicità hanno reso la batteria al manganese-idrogeno ideale per l'implementazione su scala di rete a basso costo.

Il prototipo richiede un lavoro di sviluppo per dimostrarsi. Innanzitutto, utilizza il platino come catalizzatore per stimolare le reazioni chimiche cruciali all'elettrodo che rendono efficiente il processo di ricarica e il costo di tale componente sarebbe proibitivo per la distribuzione su larga scala. Ma Chen dice che la squadra sta già lavorando su modi più economici per convincere il solfato di manganese e l'acqua per eseguire lo scambio di elettroni reversibili.

"Abbiamo identificato catalizzatori che potrebbero portarci al di sotto dell'obiettivo di $ 100 per chilowattora di DOE", dice.

I ricercatori riferiscono di effettuare ricariche 10,000 dei prototipi, che è il doppio dei requisiti DOE, ma affermano che sarà necessario testare la batteria manganese-idrogeno in condizioni di stoccaggio della rete elettrica reale al fine di valutare realmente le prestazioni ei costi della sua vita.

Cui afferma di aver cercato di brevettare il processo attraverso la Stanford Office of Technology Licensing e progetta di formare una società per commercializzare il sistema.

Informazioni sugli autori

Yi Cui, professore di scienze dei materiali alla Stanford University, è l'autore senior del giornale. Altri coautori sono dell'Accademia cinese delle scienze e di Stanford. Il Dipartimento dell'Energia ha finanziato la ricerca.

Fonte: Università di Stanford

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