Η μπαταρία ραβέντι θα μπορούσε να αποθηκεύσει την ενέργεια του μέλλοντος
Ένα μόριο σχεδόν πανομοιότυπο με ένα μόριο στο ραβέντι μπορεί να κρατήσει το κλειδί για το μέλλον των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την ένωση για να δημιουργήσουν μια μπαταρία «ροής» υψηλής απόδοσης, έναν κορυφαίο υποψήφιο για την αποθήκευση ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές στο ηλεκτρικό δίκτυο κοινής ωφέλειας. Εάν το πρωτότυπο της μπαταρίας μπορεί να κλιμακωθεί, θα μπορούσε να βοηθήσει τις επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας να παρέχουν ανανεώσιμη ενέργεια όταν ο άνεμος είναι ήρεμος και ο ήλιος δεν λάμπει.
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ήδη μεγάλες επιχειρήσεις, με την αιολική και ηλιακή ενέργεια να αντιπροσωπεύουν περίπου το 7% του συνόλου της νέας ισχύος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που είναι εγκατεστημένη παγκοσμίως. Πολλοί ειδικοί θα ήθελαν να δουν αυτόν τον αριθμό να αυξάνεται για τον περιορισμό των εκπομπών άνθρακα από τα ορυκτά καύσιμα. Αλλά αν οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας χρησιμοποιούν αιολική και ηλιακή ενέργεια για να παρέχουν περισσότερο από περίπου το 20% της ενέργειας τους, αντιμετωπίζουν προβλήματα. Πάνω από αυτό το επίπεδο, είναι δύσκολο για τις εφεδρικές πηγές να καλύψουν τη ζήτηση όταν ο ήλιος δεν λάμπει και ο άνεμος δεν φυσάει.
Έχουν προταθεί πολυάριθμες τεχνολογίες για την αποθήκευση περίσσειας ανανεώσιμης ενέργειας για μελλοντική χρήση. Και πολλές περιοχές ήδη αντλούν νερό σε ανηφόρα και αργότερα το περνούν μέσω μιας γεννήτριας για να κάνουν ακριβώς αυτό. Αλλά αυτό δεν λειτουργεί στις πεδινές περιοχές. Άλλες επιλογές, όπως οι συμβατικές μπαταρίες, εξακολουθούν να είναι πολύ ακριβές και έχουν ανησυχίες για την ασφάλεια.
Οι μπαταρίες ροής είναι μια άλλη επιλογή. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες, οι οποίες συσκευάζουν τα χημικά αντιδρώντα και τα ηλεκτρόδια μαζί, οι μπαταρίες ροής διατηρούν τα αντιδραστήρια τους σε ξεχωριστές δεξαμενές. Η ενέργεια μπορεί να εξαχθεί ή να τροφοδοτηθεί στα αντιδρώντα, απλώς ρέοντας τα υλικά πέρα από δύο ηλεκτρόδια που χωρίζονται από μια μεμβράνη. Ένα πιλοτικό έργο πλήρους κλίμακας του κορυφαίου υποψήφιου συσσωρευτή ροής, που βασίζεται σε ιόντα βαναδίου διαλυμένα στο νερό, πρόκειται να ολοκληρωθεί το επόμενο έτος στην Ιαπωνία για αποθήκευση στο δίκτυο. Αλλά το βανάδιο είναι ακριβό. Το βανάδιο μόνο σε μια μπαταρία ροής με την ικανότητα αποθήκευσης να παρέχει μια κιλοβατώρα ηλεκτρικής ενέργειας κοστίζει τώρα 81 δολάρια. Η προσθήκη των άλλων εξαρτημάτων αυξάνει την τιμή μεταξύ $350 και $700 ανά κιλοβατώρα. Σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, ο στόχος κόστους για μια βιώσιμη τεχνολογία αποθήκευσης δικτύου είναι περίπου 100 $ ανά κιλοβατώρα.
Ελπίζοντας να πλησιάσει αυτό το σημάδι, μια ομάδα με επικεφαλής τον Michael Aziz, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, αποφάσισε να εξερευνήσει οργανικά μόρια που ονομάζονται κινόνες. Οι ενώσεις ήταν από καιρό γνωστές ότι είναι ικανές να πιάνουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρόνια, μια βασική απαίτηση για ένα υλικό μπαταρίας. Και είναι άφθονα σε φυτά, ακόμη και σε αργό πετρέλαιο, καθιστώντας τα δυνητικά φθηνά. Έτσι ο Aziz λέει ότι αυτός και οι μαθητές του άρχισαν να δοκιμάζουν μερικούς διαφορετικούς τύπους κινονών σε μια μπαταρία ροής και πήραν δίκαια αποτελέσματα. Αυτό τους ώθησε να συνεργαστούν με θεωρητικούς χημικούς με επικεφαλής τον Alán Aspuru-Guzik του Χάρβαρντ για να υπολογίσουν τις ιδιότητες περισσότερων από 10.000 μορίων κινόνης. Εκεί χτύπησαν το ραβέντι.
Ο Aziz και η ομάδα του το ενσωμάτωσαν στη ρύθμιση της μπαταρίας ροής τους. Σε μια δεξαμενή τοποθετούν την κινόνη, με συντομογραφία AQDSH2 , διαλυμένο σε νερό. Σε ξεχωριστή δεξαμενή τοποθετούν το Br2 ή βρώμιο υγρό. Για να βγάλουν το ηλεκτρικό ρεύμα, αντλούν τα δύο υγρά πέρα από τα παρακείμενα ηλεκτρόδια που χωρίζονται από μια λεπτή μεμβράνη αγωγιμότητας πρωτονίων. Σε ένα ηλεκτρόδιο, κάθε μόριο κινόνης δίνει δύο ηλεκτρόνια και δύο πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια φερμουάρ μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος στο αντίθετο ηλεκτρόδιο, όπου συναντώνται με τα πρωτόνια που πέρασαν από τη μεμβράνη. Οι εταίροι στη συνέχεια συνδυάζονται με ένα άτομο βρωμίου για να δημιουργήσουν μόρια HBr. Για να αποθηκεύσουν ενέργεια, οι ερευνητές απλώς λειτουργούν τις αντλίες αντίστροφα και παρέχουν ενεργειακά ηλεκτρόνια. Αυτό ωθεί τα υδρογόνα να αποσπαστούν από τα άτομα βρωμίου και να επανασυνδεθούν στην κινόνη στο αντίθετο ηλεκτρόδιο. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature , ο Aziz και οι συνεργάτες του δείχνουν ότι η μπαταρία ροής κινόνης όχι μόνο λειτουργεί, αλλά εμφανίζεται και σταθερή στις πρώιμες δοκιμές και παρέχει σημαντική ισχύ. Και ίσως το καλύτερο από όλα, ο Aziz σημειώνει ότι το κόστος των κινονών και του βρωμίου είναι περίπου το ένα τρίτο του κόστους του βαναδίου, καθιστώντας το δυνητικά μια πολύ φθηνότερη επιλογή.
«Είναι ένα υπέροχο σετ νέων υλικών», λέει ο Mike Perry, ειδικός στις μπαταρίες ροής στο United Technologies Research Center στο East Hartford του Κονέκτικατ, η εταιρεία του οποίου αναπτύσσει προηγμένες μπαταρίες ροής βαναδίου. Αλλά το βρώμιο είναι πολύ καυστικό, σημειώνει ο Perry, κάτι που μπορεί να αυξήσει το κόστος μιας μπαταρίας τελικής ροής που βασίζεται σε αυτό. Ο Aziz λέει ότι η ομάδα του διερευνά και άλλα οργανικά για να αντικαταστήσει το βρώμιο επίσης. Εάν λειτουργήσει, οι νέες μπαταρίες θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν τις προσπάθειες για προσθήκη ανανεώσιμης ενέργειας στο δίκτυο και να περιορίσουν την εξάρτηση της κοινωνίας από την ενέργεια που παράγεται από ορυκτά καύσιμα.
