แบตเตอรี่แบบน้ำเก็บพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม

แบตเตอรี่แมงกานีส-ไฮโดรเจนต้นแบบที่รายงานในวันนี้ในNature Energyมีความสูงเพียง 3 นิ้ว และสร้างพลังงานไฟฟ้าเพียง 20 มิลลิวัตต์ชั่วโมง ซึ่งเทียบเท่ากับระดับพลังงานของไฟฉาย LED ที่อาจห้อยไว้กับพวงกุญแจ แม้จะมีผลลัพธ์ที่เล็กจิ๋วของต้นแบบ แต่นักวิจัยก็มั่นใจว่าพวกเขาสามารถใช้เทคโนโลยีแบบตั้งโต๊ะนี้กับระบบระดับอุตสาหกรรมที่สามารถชาร์จและชาร์จซ้ำได้มากถึง 10,000 ครั้ง สร้างแบตเตอรี่ขนาดกริดที่มีอายุการใช้งานยาวนานเกินกว่า ทศวรรษ. Yi Cui ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์ที่ Stanford และผู้เขียนอาวุโสในรายงานกล่าวว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่แมงกานีส-ไฮโดรเจนอาจเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่ขาดหายไปในปริศนาพลังงานของประเทศ ซึ่งเป็นวิธีเก็บพลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์ที่คาดเดาไม่ได้เพื่อลด ความจำเป็นในการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลที่เชื่อถือได้แต่ปล่อยคาร์บอนเมื่อไม่มีแหล่งพลังงานหมุนเวียน Cui กล่าวว่า "สิ่งที่เราทำคือการโยนเกลือพิเศษลงในน้ำ หยดลงในขั้วไฟฟ้า และสร้างปฏิกิริยาเคมีที่ผันกลับได้ซึ่งเก็บอิเล็กตรอนไว้ในรูปของก๊าซไฮโดรเจน" Cui กล่าว เคมีที่ชาญฉลาด ทีมที่ฝันถึงแนวคิดและสร้างต้นแบบนั้นนำโดย Wei Chen นักวิชาการหลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของ Cui โดยพื้นฐานแล้ว นักวิจัยได้เกลี้ยกล่อมให้เกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนแบบผันกลับได้ระหว่างน้ำกับแมงกานีสซัลเฟต ซึ่งเป็นเกลืออุตสาหกรรมราคาถูกและมีจำนวนมากที่ใช้ทำแบตเตอรี่เซลล์แห้ง ปุ๋ย กระดาษ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ เพื่อเลียนแบบแหล่งพลังงาน ลม หรือแสงอาทิตย์ที่ป้อนพลังงานเข้าสู่แบตเตอรี่ นักวิจัยได้แนบแหล่งพลังงานเข้ากับต้นแบบ อิเล็กตรอนที่ไหลเข้ามาจะทำปฏิกิริยากับแมงกานีสซัลเฟตที่ละลายอยู่ในน้ำ ทำให้อนุภาคของแมงกานีสไดออกไซด์เกาะติดกับขั้วไฟฟ้า อิเลคตรอนส่วนเกินจะแตกออกเป็นแก๊สไฮโดรเจนซึ่งเก็บพลังงานนั้นไว้ใช้ในอนาคต วิศวกรรู้วิธีสร้างกระแสไฟฟ้าจากพลังงานที่เก็บไว้ในก๊าซไฮโดรเจน ดังนั้นขั้นตอนต่อไปที่สำคัญคือการพิสูจน์ว่าแบตเตอรี่แบบน้ำสามารถชาร์จใหม่ได้ นักวิจัยทำสิ่งนี้โดยการต่อแหล่งพลังงานเข้ากับต้นแบบที่หมดแล้วอีกครั้ง ครั้งนี้มีเป้าหมายเพื่อกระตุ้นอนุภาคแมงกานีสไดออกไซด์ที่เกาะติดกับอิเล็กโทรดให้รวมตัวกับน้ำ เติมเกลือแมงกานีสซัลเฟต เมื่อเกลือนี้ถูกกู้คืน อิเล็กตรอนที่เข้ามาจะกลายเป็นส่วนเกิน และพลังงานส่วนเกินอาจแตกตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจน ในกระบวนการที่สามารถทำซ้ำได้ครั้งแล้วครั้งเล่า Cui ประมาณการว่า เมื่อคำนึงถึงอายุการใช้งานที่คาดไว้ของแบตเตอรี่แบบน้ำ การเก็บไฟฟ้าให้เพียงพอต่อการจ่ายไฟให้หลอดไฟขนาด 100 วัตต์ต้องเสียเงิน 1 เหรียญสหรัฐเป็นเวลา 12 ชั่วโมง "เราเชื่อว่าเทคโนโลยีต้นแบบนี้จะสามารถบรรลุเป้าหมายของกระทรวงพลังงาน (DOE) สำหรับการจัดเก็บไฟฟ้าในระดับสาธารณูปโภคที่ใช้งานได้จริง" Cui กล่าว DOE แนะนำให้แบตเตอรี่สำหรับการจัดเก็บในระดับกริดควรเก็บและปล่อยพลังงานอย่างน้อย 20 กิโลวัตต์ในช่วงเวลาหนึ่งชั่วโมง สามารถชาร์จซ้ำได้อย่างน้อย 5,000 ครั้ง และมีอายุการใช้งาน 10 ปีขึ้นไป เพื่อให้ใช้งานได้จริง ระบบแบตเตอรี่ควรมีราคา 2,000 ดอลลาร์หรือน้อยกว่า หรือ 100 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง Steven Chu อดีตรัฐมนตรีกระทรวงพลังงานและผู้ได้รับรางวัลโนเบล ปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ที่ Stanford มีความสนใจมาอย่างยาวนานในการส่งเสริมเทคโนโลยีเพื่อช่วยให้ประเทศเปลี่ยนไปใช้พลังงานหมุนเวียน Chu ซึ่งไม่ได้เป็นสมาชิกของทีมวิจัยกล่าวว่า "ในขณะที่วัสดุและการออกแบบที่แม่นยำยังคงต้องการการพัฒนา แต่ต้นแบบนี้แสดงให้เห็นถึงประเภทของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่แนะนำวิธีใหม่ๆ เพื่อให้ได้แบตเตอรี่ขนาดยูทิลิตี้ที่มีอายุการใช้งานยาวนานและมีอายุการใช้งานยาวนาน" . เปลี่ยนจากคาร์บอน จากการประมาณการของ DOE ประมาณร้อยละ 70 ของกระแสไฟฟ้าในสหรัฐอเมริกาผลิตโดยโรงไฟฟ้าถ่านหินหรือก๊าซธรรมชาติ ซึ่งคิดเป็นร้อยละ 40 ของการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การเปลี่ยนไปใช้การผลิตพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นวิธีหนึ่งในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเหล่านั้น แต่จะสร้างความท้าทายใหม่ที่เกี่ยวข้องกับความผันแปรของแหล่งจ่ายไฟ เห็นได้ชัดว่าดวงอาทิตย์ส่องแสงในเวลากลางวันและบางครั้งลมก็ไม่พัด แต่อีกรูปแบบหนึ่งที่ไม่ค่อยเข้าใจ แต่ความแปรปรวนของการนำเข้ามาจากความต้องการที่เพิ่มขึ้นบนกริด - เครือข่ายสายไฟฟ้าแรงสูงที่จำหน่ายไฟฟ้าทั่วภูมิภาคและท้ายที่สุดไปยังบ้าน ในวันที่อากาศร้อน เมื่อผู้คนกลับมาจากที่ทำงานและเปิดเครื่องปรับอากาศ ระบบสาธารณูปโภคต้องมีกลยุทธ์การจัดสรรภาระงานเพื่อตอบสนองความต้องการสูงสุด: วิธีการเพิ่มการผลิตไฟฟ้าภายในไม่กี่นาทีเพื่อหลีกเลี่ยงไฟดับหรือไฟดับที่อาจทำให้กริดไฟฟ้าขัดข้อง . ทุกวันนี้ สาธารณูปโภคมักจะทำสิ่งนี้ให้สำเร็จด้วยการสร้างโรงไฟฟ้าแบบ on-demand หรือ "dispatchable" ที่อาจไม่ได้ใช้งานมากในแต่ละวัน แต่สามารถกลับมาออนไลน์ได้ภายในไม่กี่นาที ผลิตพลังงานได้อย่างรวดเร็วแต่เพิ่มการปล่อยก๊าซคาร์บอน สาธารณูปโภคบางแห่งได้พัฒนาโหลดบาลานซ์ระยะสั้นที่ไม่ต้องพึ่งพาโรงงานเผาเชื้อเพลิงฟอสซิล กลยุทธ์ดังกล่าวที่ใช้กันทั่วไปและก่อให้เกิดต้นทุนคือการกักเก็บไฟฟ้าพลังน้ำแบบปั๊ม: ใช้พลังงานส่วนเกินเพื่อส่งน้ำขึ้นเนิน จากนั้นปล่อยให้ไหลกลับลงมาเพื่อผลิตพลังงานในช่วงที่มีความต้องการสูงสุด อย่างไรก็ตาม การจัดเก็บไฟฟ้าพลังน้ำใช้งานได้เฉพาะในพื้นที่ที่มีน้ำและพื้นที่ ดังนั้นเพื่อให้ลมและแสงอาทิตย์มีประโยชน์มากขึ้น DOE จึงสนับสนุนแบตเตอรี่ความจุสูงเป็นทางเลือก ความจุสูง ต้นทุนต่ำ Cui กล่าวว่ามีเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้หลายประเภทในท้องตลาด แต่ยังไม่ชัดเจนว่าแนวทางใดจะเป็นไปตามข้อกำหนดของ DOE และพิสูจน์การใช้งานได้จริงกับสาธารณูปโภค หน่วยงานกำกับดูแล และผู้มีส่วนได้ส่วนเสียอื่น ๆ ที่ดูแลโครงข่ายไฟฟ้าของประเทศ ตัวอย่างเช่น Cui กล่าวว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จซ้ำได้ซึ่งเก็บพลังงานจำนวนเล็กน้อยที่จำเป็นสำหรับการใช้โทรศัพท์และแล็ปท็อปนั้นใช้วัสดุที่หายากและมีราคาแพงเกินไปที่จะเก็บพลังงานสำหรับย่านหรือเมือง Cui กล่าวว่าที่เก็บข้อมูลขนาดกริดต้องการแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ที่มีต้นทุนต่ำ ความจุสูง และดูเหมือนว่ากระบวนการแมงกานีส-ไฮโดรเจนจะมีแนวโน้มที่ดี "เทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบชาร์จใหม่ได้ง่ายกว่า 5 เท่าของต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน" Cui กล่าวเสริม Chen กล่าวว่าคุณสมบัติทางเคมีที่แปลกใหม่ วัสดุต้นทุนต่ำ และความเรียบง่ายทำให้แบตเตอรี่แมงกานีส-ไฮโดรเจนเหมาะสำหรับการใช้งานในระดับกริดที่มีต้นทุนต่ำ "ความก้าวหน้าที่เรารายงานในNature Energyมีศักยภาพที่จะเป็นไปตามเกณฑ์สเกลกริดของ DOE" เฉินกล่าว ต้นแบบต้องการงานพัฒนาเพื่อพิสูจน์ตัวเอง สิ่งหนึ่งคือใช้แพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่สำคัญที่อิเล็กโทรดซึ่งทำให้กระบวนการชาร์จมีประสิทธิภาพ และต้นทุนของส่วนประกอบนั้นจะไม่เอื้ออำนวยสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ แต่เฉินกล่าวว่าทีมงานกำลังหาวิธีที่ถูกกว่าในการเกลี้ยกล่อมแมงกานีสซัลเฟตและน้ำเพื่อทำการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนแบบย้อนกลับ "เราได้ระบุตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำให้เราต่ำกว่าเป้าหมาย DOE ที่ 100 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง" เขากล่าว นักวิจัยรายงานว่าทำการชาร์จต้นแบบ 10,000 ครั้ง ซึ่งเป็นสองเท่าของข้อกำหนดของ DOE แต่กล่าวว่าจำเป็นต้องทดสอบแบตเตอรี่แมงกานีส-ไฮโดรเจนภายใต้สภาวะการเก็บกริดไฟฟ้าจริง เพื่อประเมินประสิทธิภาพตลอดอายุการใช้งานและต้นทุนอย่างแท้จริง