I ricercatori di Stanford hanno sviluppato una batteria a base d'acqua che potrebbe fornire un modo economico per immagazzinare l'energia eolica o solare generata quando il sole splende e il vento soffia, in modo che possa essere reimmessa nella rete elettrica e ridistribuita quando la domanda è alta.

Il prototipo di batteria al manganese-idrogeno, segnalato oggi in Energia della natura , è alto solo tre pollici e genera solo 20 milliwattora di elettricità, che è alla pari con i livelli di energia delle torce a LED, si potrebbe appendere un portachiavi.

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

Yi Cui, un professore di scienza dei materiali a Stanford e autore senior della carta, ha detto che la tecnologia delle batterie al manganese-idrogeno potrebbe essere uno dei pezzi mancanti nel puzzle energetico della nazione:un modo per immagazzinare energia eolica o solare imprevedibile in modo da ridurre la necessità di bruciare combustibili fossili affidabili ma che emettono carbonio quando le fonti rinnovabili non lo sono a disposizione.

"Quello che abbiamo fatto è gettare un sale speciale nell'acqua, caduto in un elettrodo, e ha creato una reazione chimica reversibile che immagazzina elettroni sotto forma di gas idrogeno, " Ha detto Cui.

Chimica intelligente

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

Per simulare il modo in cui una fonte eolica o solare potrebbe alimentare la batteria, i ricercatori hanno collegato una fonte di alimentazione al prototipo. Gli elettroni che vi entravano reagivano con il solfato di manganese disciolto nell'acqua lasciando attaccate agli elettrodi particelle di biossido di manganese. Gli elettroni in eccesso gorgogliavano come gas idrogeno, immagazzinando così quell'energia per un uso futuro. Gli ingegneri sanno come ricreare l'elettricità dall'energia immagazzinata nel gas idrogeno, quindi il passo successivo importante è stato dimostrare che la batteria a base d'acqua può essere ricaricata.

I ricercatori hanno fatto questo ricollegando la loro fonte di energia al prototipo esaurito, questa volta con l'obiettivo di indurre le particelle di biossido di manganese aggrappate all'elettrodo a combinarsi con l'acqua, reintegrare il sale solfato di manganese. Una volta che questo sale è stato ripristinato, gli elettroni in ingresso sono diventati eccedenti, e l'energia in eccesso potrebbe fuoriuscire come gas idrogeno, in un processo che può essere ripetuto ancora e ancora e ancora.

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

"Riteniamo che questa tecnologia prototipo sarà in grado di soddisfare gli obiettivi del Dipartimento dell'Energia (DOE) per l'immagazzinamento elettrico su larga scala, " Ha detto Cui.

Il DOE ha raccomandato che le batterie per l'archiviazione su scala di rete dovrebbero immagazzinare e quindi scaricare almeno 20 kilowatt di potenza in un periodo di un'ora, essere capace di almeno 5, 000 ricariche, e hanno una durata utile di 10 anni o più. Per renderlo pratico, un tale sistema di batterie dovrebbe costare $ 2, 000 o meno, o $ 100 per chilowattora.

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

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

Allontanandosi dal carbonio

Secondo le stime del DOE, circa il 70% dell'elettricità degli Stati Uniti è generata da impianti a carbone o gas naturale, che rappresentano il 40% delle emissioni di anidride carbonica. Il passaggio alla generazione eolica e solare è un modo per ridurre tali emissioni, ma crea una nuova sfida che coinvolge la variabilità dell'alimentazione. Più ovviamente, il sole splende solo di giorno e, A volte, il vento non soffia.

Ma un'altra forma di variabilità meno ben compresa, ma importata, deriva dai picchi di domanda sulla rete, quella rete di cavi ad alta tensione che distribuisce l'elettricità nelle regioni e, infine, nelle case. In una giornata calda, quando le persone tornano a casa dal lavoro e accendono l'aria condizionata, le utility devono avere strategie di bilanciamento del carico per soddisfare i picchi di domanda:un modo per aumentare la produzione di energia in pochi minuti per evitare interruzioni o blackout che altrimenti potrebbero far crollare la rete.

Oggi i servizi di pubblica utilità spesso lo fanno accendendo centrali elettriche su richiesta o "disponibili" che possono rimanere inattive per gran parte della giornata, ma può entrare in funzione in pochi minuti, producendo rapidamente energia 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. L'effetto più comune ed economico di tale strategia è l'accumulo idroelettrico di pompaggio:utilizzando l'energia in eccesso per inviare l'acqua in salita, quindi lasciarlo scorrere verso il basso per generare energia durante i picchi di richiesta. Però, l'accumulo idroelettrico funziona solo nelle regioni con l'acqua e lo spazio, quindi, per rendere più utili l'energia eolica e solare, il DOE ha incoraggiato come alternativa le batterie ad alta capacità.

Alta capacità, basso costo

Cui ha affermato che sul mercato esistono diversi tipi di tecnologie per batterie ricaricabili, ma non è chiaro quali approcci soddisferanno i requisiti del DOE e dimostreranno la loro praticità alle utility, regolatori e altre parti interessate che mantengono la rete elettrica della nazione.

Ad esempio, Cui ha detto batterie ricaricabili agli ioni di litio, che immagazzinano le piccole quantità di energia necessarie per far funzionare telefoni e laptop, sono basati su materiali rari e sono quindi troppo costosi per immagazzinare energia per un quartiere o una città. Cui ha affermato che lo storage su scala di rete richiede un basso costo, alta capacità, batteria ricaricabile e il processo manganese-idrogeno sembra promettente.

"Altre tecnologie di batterie ricaricabili sono facilmente più di 5 volte superiori a quel costo nel corso della vita, " Ha aggiunto Cui.

Chen ha detto una 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.

"La svolta che riportiamo in Energia della natura ha il potenziale per soddisfare i criteri su scala di rete del DOE, " disse Chen.

Il prototipo ha bisogno di lavoro di sviluppo per dimostrarsi. Per prima cosa utilizza il platino come catalizzatore per stimolare le reazioni chimiche cruciali all'elettrodo che rendono efficiente il processo di ricarica, e il costo di quel componente sarebbe proibitivo per la distribuzione su larga scala. Ma Chen ha detto che il team sta già lavorando a modi più economici per convincere il solfato di manganese e l'acqua a eseguire lo scambio di elettroni reversibile.

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

I ricercatori hanno riferito di aver fatto 10, 000 ricariche dei prototipi, che è il doppio dei requisiti del DOE, ma diciamo che sarà necessario testare la batteria al manganese-idrogeno nelle condizioni effettive di stoccaggio della rete elettrica per valutarne veramente le prestazioni e il costo nel corso della vita.

Cui ha affermato di aver cercato di brevettare il processo attraverso lo Stanford Office of Technology Licensing, e prevede di formare una società per commercializzare il sistema.

Yi Cui è anche professore presso la Photon Science Directorate presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, e Senior Fellow del Precourt Institute for Energy, un membro della Stanford Bio-X e dello Stanford Neurosciences Institute. Altri coautori includono Guodong Li, uno studioso in visita in scienza e ingegneria dei materiali e ora con l'Accademia cinese delle scienze; studiosi post-dottorato Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen e Jiangyan Wang; studioso in visita Hao Zhang; e studenti laureati Zheng Liang, Yuzhang Li e Allen Pei.