الصورة الائتمان: GabrielleMerk. Wikimedia.org (صورة #46)

قال باحثون إن بطارية جديدة تعتمد على المياه يمكن أن توفر وسيلة رخيصة لتخزين الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح في وقت لاحق.

تخزن البطارية الطاقة الناتجة عندما تشرق الشمس وتهب الرياح حتى يمكن إعادتها إلى الشبكة الكهربائية وإعادة توزيعها عند ارتفاع الطلب.

النموذج الأولي بطارية المنغنيز الهيدروجين ، ذكرت في الطاقة الطبيعةيبلغ طولها ثلاث بوصات فقط وتولد ساعة 20 ملي واط فقط من الكهرباء ، والتي تتساوى مع مستويات طاقة مصابيح LED التي تتدلى على حلقة رئيسية.

على الرغم من إنتاج النموذج الأولي ، إلا أن الباحثين على ثقة بأنهم يستطيعون رفع مستوى هذه التقنية على مستوى أعلى إلى نظام صناعي يمكن شحنه وإعادة شحنه إلى زمن 10,000 ، مما يؤدي إلى إنشاء بطارية على مستوى الشبكة مع عمر افتراضي مفيد يزيد عن عقد.

يقول يي تسوي ، أستاذ علوم المواد بجامعة ستانفورد وكبير مؤلفي الصحيفة ، إن تكنولوجيا بطاريات المنجنيز الهيدروجيني يمكن أن تكون أحد الأجزاء المفقودة في لغز الطاقة في البلاد - طريقة لتخزين طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية غير المتوقعة للتخفيف الحاجة إلى حرق الوقود الأحفوري الذي يمكن الاعتماد عليه ولكن الذي ينبعث منه الكربون عندما تكون المصادر المتجددة غير متوفرة.

"ما قمنا به هو رمي ملح خاص في الماء ، وإلقاءه في القطب ، وخلق تفاعل كيميائي قابل للعكس يخزن الإلكترونات في شكل غاز الهيدروجين ،" يقول تسوي.

كيمياء ذكية

قاد وي تشين ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر تسوي ، الفريق الذي حلم بهذا المفهوم وبنى النموذج الأولي. في جوهرها ، أقنع الباحثون تبادل الإلكترونات القابل للانعكاس بين الماء وكبريتات المنغنيز ، وهو ملح صناعي رخيص وفير يستخدم لصنع بطاريات الخلايا الجافة والأسمدة والورق وغيرها من المنتجات.

لمحاكاة كيفية طاقة الرياح أو مصدر الطاقة الشمسية لتغذية الطاقة في البطارية ، أرفق الباحثون مصدر طاقة للنموذج الأولي. تتفاعل الإلكترونات المتدفقة مع كبريتات المنغنيز المذابة في الماء لتترك جسيمات ثاني أكسيد المنغنيز متشبثة بالأقطاب الكهربائية. انفجرت الإلكترونات الزائدة كغاز الهيدروجين ، وتخزين هذه الطاقة للاستخدام في المستقبل.

يعرف المهندسون كيفية إعادة توليد الكهرباء من الطاقة المخزنة في غاز الهيدروجين ، لذا فإن الخطوة التالية المهمة هي إثبات قدرتها على إعادة شحن البطارية المستندة إلى الماء.

قام الباحثون بذلك عن طريق إعادة ربط مصدر الطاقة الخاصة بهم إلى النموذج الأولي المستنفد ، وهذه المرة بهدف إحداث جزيئات ثاني أكسيد المنغنيز التي تتشبث بالقطب الكهربائي لتتحد مع الماء ، لتجديد ملح كبريتات المنجنيز. وبمجرد استعادة هذه العملية الملح ، تصبح الإلكترونات الواردة فائضة ، ويمكن أن تنفجر الطاقة الزائدة كغاز للهيدروجين ، بطريقة يمكن تكرارها مرارًا وتكرارًا.

ويقدر تسوي أنه نظراً إلى العمر المتوقع لبطارية المياه ، سيكلف بنس واحد تخزين ما يكفي من الكهرباء لتشغيل مصباح 100-watt لمدة اثنتي عشرة ساعة.

يقول تسوي: "نعتقد أن هذه التقنية النموذجية ستكون قادرة على تلبية أهداف قسم الطاقة من أجل التطبيق العملي للتخزين الكهربائي على نطاق المرافق".

أوصت وزارة الطاقة (DOE) باستعمال البطاريات للتخزين على مستوى الشبكة ، ومن ثم تفريغها على الأقل كيلوواط 20 من الطاقة خلال فترة ساعة ، وتكون قادرة على إعادة شحن 5,000 على الأقل ، ولها عمر خدمة مفيد من سنوات 10 أو أكثر من. لجعله عمليًا ، يجب أن يكلف نظام البطارية هذا $ 2,000 أو أقل ، أو 100 دولارًا لكل كيلوواط ساعي.

لدى سكرتير وزارة الطاقة السابق والحائز على جائزة نوبل ستيفن تشو ، وهو الآن أستاذ في جامعة ستانفورد ، اهتمام منذ وقت طويل بتشجيع التقنيات لمساعدة الدولة على الانتقال إلى الطاقة المتجددة.

يقول تشو ، الذي لم يكن عضوًا في فريق البحث.

تشغيل الشبكة

ووفقًا لتقديرات وزارة الطاقة ، فإن نسبة 70 في المائة من الكهرباء في الولايات المتحدة يتم توليدها بواسطة مصانع الفحم أو الغاز الطبيعي ، والتي تمثل نسبة 40 من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يعتبر التحول إلى توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أحد طرق تقليل هذه الانبعاثات. ولكن هذا يخلق تحديات جديدة تنطوي على تباين امدادات الطاقة. الأكثر وضوحًا ، الشمس تشرق فقط في النهار ، وأحيانًا لا تهب الرياح.

لكن هناك نوع آخر من التقلبات الأقل أهمية ولكنه مفهوما ، ويأتي من زيادة الطلب على الشبكة ، وهي شبكة من الأسلاك الشديدة التوتر التي توزع الكهرباء على المناطق وفي النهاية إلى المنازل. في يوم حار ، عندما يعود الناس إلى المنزل من العمل ويعملون على تكييف الهواء ، يجب أن يكون لدى المرافق العامة استراتيجيات موازنة تحميل لتلبية الطلب في أوقات الذروة: بعض السبل لتعزيز توليد الطاقة في غضون دقائق لتجنب انقطاع التيار الكهربائي أو انقطاع التيار الكهربائي الذي قد يؤدي إلى سقوط الشبكة .

وفي الوقت الحالي ، غالباً ما تنجز المرافق العامة ذلك من خلال إطلاق محطات توليد الطاقة على "الطلب" أو "القابلة للتبديل" والتي قد تظل بعيدة عن العمل طوال اليوم ، ولكنها يمكن أن تدخل عبر الإنترنت في غضون دقائق ، مما يؤدي إلى إنتاج طاقة سريعة ولكن زيادة انبعاثات الكربون. طورت بعض المرافق موازنة تحميل قصيرة الأجل لا تعتمد على محطات حرق الوقود الأحفوري.

وتتمثل الاستراتيجية الأكثر شيوعًا والأكثر فعالية من حيث التكلفة في التخزين الكهرومائي الضخم: باستخدام الطاقة الزائدة لإرسال المياه صعودًا ، ثم تركها تتدفق مرة أخرى لتوليد الطاقة خلال ذروة الطلب. ومع ذلك ، لا يعمل التخزين الكهرومائي إلا في المناطق ذات المياه والمساحة الكافية. لذا ، لجعل الرياح والطاقة الشمسية أكثر فائدة ، شجعت وزارة الطاقة البطاريات ذات السعة العالية كبديل.

التغلب على المنافسة

يقول تسوي أن هناك عدة أنواع من تقنيات البطاريات القابلة لإعادة الشحن في السوق ، ولكن ليس من الواضح أي الأساليب ستفي بمتطلبات وزارة الطاقة وإثبات مدى فائدتها بالنسبة للمرافق والمنظمين وأصحاب المصلحة الآخرين الذين يحافظون على الشبكة الكهربائية في البلاد.

على سبيل المثال ، يقول تسوي إن بطاريات أيونات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن ، التي تخزن الكميات الصغيرة من الطاقة اللازمة لتشغيل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، تعتمد على مواد نادرة ، وبالتالي فهي باهظة الثمن للغاية لتخزين الطاقة في الحي أو المدينة. يقول تسوي إن التخزين على نطاق الشبكة يتطلب بطارية منخفضة التكلفة وعالية السعة وقابلة لإعادة الشحن. تبدو عملية المنغنيز الهيدروجين واعدة.

"إن تقنيات البطاريات القابلة لإعادة الشحن هي بسهولة أكثر من خمس مرات من تلك التكلفة على مدى الحياة" ، يضيف كوي.

يقول تشن إن الكيمياء الجديدة والمواد منخفضة التكلفة والبساطة النسبية جعلت بطارية المنغنيز الهيدروجينية مثالية للنشر على نطاق الشبكة منخفض التكلفة.

النموذج الأولي يحتاج إلى عمل تطوير لإثبات نفسه. فمن ناحية ، يستخدم البلاتين كمحفز لتحفيز التفاعلات الكيميائية المهمة في القطب مما يجعل عملية التغذية فعالة ، وستكون تكلفة هذا المكون باهظة بالنسبة للنشر على نطاق واسع. لكن تشن يقول إن الفريق يعمل بالفعل على طرق أرخص لإقناع كبريتات المنغنيز والماء لأداء تبادل الإلكترونات القابل للعكس.

"لقد حددنا المحفزات التي يمكن أن تجلب لنا أقل من الهدف DOE $ 100 لكل كيلوواط ساعة" ، كما يقول.

أبلغ الباحثون عن إجراء إعادة شحن 10,000 للنماذج الأولية ، وهو ضعف متطلبات وزارة الطاقة ، لكنهم يقولون إنه سيكون من الضروري اختبار بطارية المنغنيز الهيدروجينية في ظل ظروف تخزين الشبكة الكهربائية الفعلية من أجل تقييم الأداء والتكلفة مدى الحياة.

يقول تسوي إنه سعى إلى الحصول على براءة في هذه العملية من خلال مكتب ستانفورد للتراخيص التكنولوجية ويخطط لتشكيل شركة لتسويق النظام.

حول المؤلف

يي كي ، أستاذ علوم المواد بجامعة ستانفورد ، هو المؤلف الأقدم للورقة. المؤلفون الإضافيون الإضافيون هم من الأكاديمية الصينية للعلوم وستانفورد. قامت وزارة الطاقة بتمويل البحث.

المصدر جامعة ستانفورد

كُتبٌ ذاتُ صِلَةٍ

at سوق InnerSelf و Amazon