Il sale è potere. Potrebbe sembrare un'alchimia, ma l'energia nei luoghi in cui l'acqua salata dell'oceano e l'acqua dolce si mescolano potrebbe fornire un'enorme fonte di energia rinnovabile. I ricercatori di Stanford hanno sviluppato un conveniente, tecnologia durevole che potrebbe sfruttare questa cosiddetta energia blu.

La carta, recentemente pubblicato in American Chemical Society's ACS Omega , descrive la batteria e suggerisce di utilizzarla per rendere gli impianti di trattamento delle acque reflue costiere indipendenti dal punto di vista energetico.

"L'energia blu è una fonte immensa e non sfruttata di energia rinnovabile, " ha detto il coautore dello studio Kristian Dubrawski, uno studioso post-dottorato in ingegneria civile e ambientale a Stanford. "La nostra batteria è un passo importante verso la cattura pratica di quell'energia senza membrane, parti in movimento o input di energia."

Dubrawski lavora nel laboratorio del coautore dello studio Craig Criddle, un professore di ingegneria civile e ambientale noto per progetti interdisciplinari sul campo di tecnologie ad alta efficienza energetica. L'idea di sviluppare una batteria che attinga ai gradienti di sale è nata con i coautori dello studio Yi Cui, professore di scienze e ingegneria dei materiali, e Mauro Pasta, borsista post-dottorato in scienza e ingegneria dei materiali al momento della ricerca. L'applicazione di questo concetto agli impianti di trattamento delle acque reflue costiere è stata la svolta di Criddle, nato dalla sua lunga esperienza nello sviluppo di tecnologie per il trattamento delle acque reflue.

I ricercatori hanno testato un prototipo della batteria, monitorare la sua produzione di energia durante il lavaggio con scambi orari alternati di acque reflue provenienti dall'impianto di controllo della qualità dell'acqua regionale di Palo Alto e acqua di mare raccolta nelle vicinanze di Half Moon Bay. Oltre 180 cicli, i materiali della batteria hanno mantenuto un'efficacia del 97 percento nel catturare l'energia del gradiente di salinità.

La tecnologia potrebbe funzionare in qualsiasi luogo in cui si mescolano acqua dolce e salata, ma gli impianti di trattamento delle acque reflue offrono un caso di studio particolarmente prezioso. Il trattamento delle acque reflue è ad alta intensità energetica, che rappresentano circa il tre percento del carico elettrico totale degli Stati Uniti. Il processo, essenziale per la salute della comunità, è anche vulnerabile agli arresti della rete elettrica. Rendere gli impianti di trattamento delle acque reflue indipendenti dal punto di vista energetico non solo ridurrebbe il consumo di elettricità e le emissioni, ma li renderebbe anche immuni ai blackout, un vantaggio importante in luoghi come la California, dove i recenti incendi hanno portato a interruzioni su larga scala.

Potere dell'acqua

Ogni metro cubo di acqua dolce che si mescola con l'acqua di mare produce circa 0,65 chilowattora di energia, sufficienti per alimentare la casa americana media per circa 30 minuti. Globalmente, l'energia teoricamente recuperabile dagli impianti di trattamento delle acque reflue costiere è di circa 18 gigawatt, sufficienti per alimentarne più di 1, 700 case per un anno.

La batteria del gruppo di Stanford non è la prima tecnologia che riesce a catturare l'energia blu, ma è il primo ad utilizzare l'elettrochimica della batteria invece della pressione o delle membrane. Se funziona su larga scala, la tecnologia offrirebbe un più semplice, soluzione robusta ed economica.

Il processo prima rilascia ioni sodio e cloruro dagli elettrodi della batteria nella soluzione, facendo passare la corrente da un elettrodo all'altro. Quindi, un rapido scambio dell'effluente delle acque reflue con l'acqua di mare porta l'elettrodo a reincorporare ioni sodio e cloruro e invertire il flusso di corrente. L'energia viene recuperata sia durante gli scarichi di acqua dolce che di mare, senza investimenti energetici iniziali e senza bisogno di ricarica. Ciò significa che la batteria si scarica e si ricarica costantemente senza bisogno di alcun apporto di energia.

Tecnologia durevole e conveniente

Sebbene i test di laboratorio abbiano mostrato che la potenza in uscita è ancora bassa per area dell'elettrodo, il potenziale di espansione della batteria è considerato più fattibile rispetto alle tecnologie precedenti grazie al suo ingombro ridotto, semplicità, creazione di energia costante e mancanza di membrane o strumenti per controllare la carica e la tensione. Gli elettrodi sono realizzati con Blu di Prussia, un materiale ampiamente usato come pigmento e medicinale, che costa meno di 1 dollaro al chilogrammo, e polipirrolo, un materiale utilizzato sperimentalmente in batterie e altri dispositivi, che vende per meno di $ 3 al chilogrammo alla rinfusa.

C'è anche poco bisogno di batterie di backup, poiché i materiali sono relativamente robusti, un rivestimento in alcol polivinilico e acido solfosuccinico protegge gli elettrodi dalla corrosione e non sono coinvolte parti in movimento. Se ingrandito, la tecnologia potrebbe fornire tensione e corrente adeguate per qualsiasi impianto di trattamento costiero. La produzione di energia in eccesso potrebbe anche essere deviata verso un'operazione industriale vicina, come un impianto di desalinizzazione.

"È una soluzione scientificamente elegante a un problema complesso, " Ha detto Dubrawski. "Deve essere testato su larga scala, e non affronta la sfida di sfruttare l'energia blu su scala globale, i fiumi che scorrono nell'oceano, ma è un buon punto di partenza che potrebbe stimolare questi progressi".

Per valutare il pieno potenziale della batteria negli impianti di acque reflue municipali, i ricercatori stanno lavorando a una versione in scala per vedere come funziona il sistema con più batterie che funzionano contemporaneamente.