Energia

Bateria à base de água armazena energia solar e eólica

Pesquisadores de Stanford desenvolveram uma bateria à base de água que poderia fornecer uma maneira barata de armazenar energia solar ou eólica gerada quando o sol está brilhando e o vento está soprando para que possa ser alimentado de volta à rede elétrica e redistribuído quando a demanda é alta.

O protótipo de bateria de hidrogênio de manganês, publicado hoje na Nature Energy , tem apenas três centímetros de altura e gera apenas 20 miliwatts de eletricidade, o que equivale aos níveis de energia das lanternas de LED que podem ser penduradas em um chaveiro.

Apesar da produção diminuta do protótipo, os pesquisadores estão confiantes de que podem levar essa tecnologia até um sistema de nível industrial que poderia carregar e recarregar até 10.000 vezes, criando uma bateria em escala de grade com uma vida útil muito superior a década.

Yi Cui, professor de ciência dos materiais em Stanford e autor sênior do jornal, disse que a tecnologia de baterias de hidrogênio-manganês pode ser uma das peças que faltam no quebra-cabeça energético do país – uma maneira de armazenar vento imprevisível ou energia solar para diminuir a necessidade de queimar combustíveis fósseis confiáveis, mas emissores de carbono, quando as fontes renováveis ​​não estiverem disponíveis.

“O que fizemos foi jogar um sal especial na água, colocar em um eletrodo e criar uma reação química reversível que armazena elétrons na forma de gás hidrogênio”, disse Cui.

Química inteligente

A equipe que idealizou o conceito e construiu o protótipo foi liderada por Wei Chen, um acadêmico de pós-doutorado no laboratório de Cui. Em essência, os pesquisadores persuadiram uma troca de elétrons reversível entre a água e o sulfato de manganês, um sal industrial abundante e barato usado para fabricar pilhas secas, fertilizantes, papel e outros produtos.

Para imitar como uma fonte eólica ou solar poderia alimentar a bateria, os pesquisadores anexaram uma fonte de energia ao protótipo. Os elétrons que fluíam reagiram com o sulfato de manganês dissolvido na água para deixar partículas de dióxido de manganês agarradas aos eletrodos. O excesso de elétrons borbulhava como gás hidrogênio, armazenando assim essa energia para uso futuro. Os engenheiros sabem como recriar a eletricidade a partir da energia armazenada no gás hidrogênio, de modo que o próximo passo importante foi provar que a bateria à base de água pode ser recarregada.

Os pesquisadores fizeram isso ao reconectar sua fonte de energia ao protótipo esgotado, desta vez com o objetivo de induzir as partículas de dióxido de manganês agarradas ao eletrodo a se combinarem com água, repondo o sal de sulfato de manganês. Uma vez que esse sal foi restaurado, os elétrons que chegam se tornam excedentes, e o excesso de energia pode se transformar em gás hidrogênio, em um processo que pode ser repetido várias vezes.

Cui estimou que, dada a expectativa de vida da bateria baseada em água, custaria um centavo para armazenar eletricidade suficiente para alimentar uma lâmpada de 100 watts por doze horas.

“Acreditamos que esta tecnologia protótipo será capaz de cumprir as metas do Departamento de Energia (DOE) de armazenamento elétrico em escala de utilidade pública”, disse Cui.

O DOE recomendou que as baterias para armazenamento em escala de grade armazenem e descarreguem pelo menos 20 quilowatts de energia durante um período de uma hora, sejam capazes de pelo menos 5.000 recargas e tenham uma vida útil de 10 anos ou mais. Para tornar mais prático, um sistema de baterias desse tipo custa US $ 2.000 ou menos, ou US $ 100 por quilowatt / hora.

O ex-secretário do Departamento de Energia e Prêmio Nobel Steven Chu, agora professor em Stanford, tem um interesse de longa data em incentivar tecnologias para ajudar a transição da nação para a energia renovável.

“Embora os materiais e o design precisos ainda precisem de desenvolvimento, este protótipo demonstra o tipo de ciência e engenharia que sugere novas maneiras de alcançar baterias de longa duração e de baixo custo”, disse Chu, que não era membro da equipe de pesquisa. .

Afastando-se do carbono

Segundo estimativas do DOE, cerca de 70% da eletricidade dos EUA é gerada por usinas de carvão ou gás natural, que respondem por 40% das emissões de dióxido de carbono. Mudar para a geração eólica e solar é uma maneira de reduzir essas emissões, mas cria um novo desafio envolvendo a variabilidade da oferta de energia. Mais obviamente, o sol só brilha durante o dia e, às vezes, o vento não sopra.

Mas outra forma de variação menos bem compreendida, mas importada, vem de surtos de demanda na rede – essa rede de fios de alta tensão que distribui eletricidade sobre regiões e, em última análise, para residências. Em um dia quente, quando as pessoas chegam em casa e trabalham no ar condicionado, as concessionárias devem ter estratégias de balanceamento de carga para atender à demanda máxima: alguma forma de aumentar a geração de energia em poucos minutos para evitar quedas ou blecautes que poderiam derrubar a rede .

Hoje em dia, os serviços públicos geralmente conseguem isso acionando usinas de energia sob demanda ou “descartáveis” que podem ficar ociosas a maior parte do dia, mas podem ficar on-line em minutos – produzindo energia rápida, mas aumentando as emissões de carbono. Algumas empresas de serviços públicos desenvolveram balanceamento de carga de curto prazo que não depende de usinas de queima de combustíveis fósseis. O efeito mais comum e de custo dessa estratégia é o armazenamento hidrelétrico bombeado: usando o excesso de energia para enviar a água para cima, permitindo que ela desça novamente para gerar energia durante a demanda de pico. No entanto, o armazenamento hidrelétrico só funciona em regiões com água e espaço, portanto, para tornar a energia eólica e a energia solar mais útil, o DOE estimulou as baterias de alta capacidade como uma alternativa.

Alta capacidade, baixo custo

Cui disse que existem vários tipos de tecnologias de baterias recarregáveis ​​no mercado, mas não está claro quais abordagens atenderão aos requisitos do DOE e comprovarão sua praticidade para as concessionárias, reguladores e outras partes interessadas que mantêm a rede elétrica do país.

Por exemplo, Cui disse que as baterias de íon de lítio recarregáveis, que armazenam as pequenas quantidades de energia necessárias para ligar telefones e laptops, são baseadas em materiais raros e, portanto, são muito caras para armazenar energia em um bairro ou cidade. Cui disse que o armazenamento em escala de grade requer uma bateria recarregável de alta capacidade e baixo custo, e o processo de manganês-hidrogênio parece promissor.

“Outras tecnologias de baterias recarregáveis ​​são facilmente mais de 5 vezes maiores do que o tempo de vida útil”, acrescentou Cui.

Chen disse que a química inovadora, os materiais de baixo custo e a relativa simplicidade tornaram a bateria de hidrogênio de manganês ideal para implantação em escala de grade de baixo custo.

“O avanço que relatamos na Nature Energy tem o potencial de atender aos critérios de escala de grade do DOE”, disse Chen.

O protótipo precisa de um trabalho de desenvolvimento para se provar. Por um lado, usa a platina como um catalisador para estimular as reações químicas cruciais no eletrodo que tornam o processo de recarga eficiente, e o custo desse componente seria proibitivo para a implantação em grande escala. Mas Chen disse que a equipe já está trabalhando em maneiras mais baratas de persuadir o sulfato de manganês e a água a realizar a troca reversível de elétrons.

“Nós identificamos catalisadores que poderiam nos levar abaixo da meta do DOE de US $ 100 por quilowatt / hora”, disse ele.

Os pesquisadores relataram fazer 10.000 recargas dos protótipos, o que é o dobro das exigências do DOE, mas dizem que será necessário testar a bateria de hidrogênio de manganês nas condições reais de armazenamento da rede elétrica para avaliar verdadeiramente seu desempenho e custo ao longo da vida.

Cui disse que tentou patentear o processo através do Departamento de Licenciamento de Tecnologia de Stanford e planeja formar uma empresa para comercializar o sistema.

Yi Cui também é professor no Photon Science Directorate do SLAC National Accelerator Laboratory e membro sênior do Precourt Institute for Energy, membro do Stanford Bio-X e do Stanford Neurosciences Institute. Co-autores adicionais incluem Guodong Li, um acadêmico visitante em ciência e engenharia de materiais e agora com a Academia Chinesa de Ciências; estudiosos de pós-doutorado Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen e Wang Jiangyan; visitando o estudioso Hao Zhang; e os estudantes de pós-graduação Zheng Liang, Yuzhang Li e Allen Pei.

Este trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia.

Fonte do contéudo

Materiais fornecidos pela Universidade de Stanford

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