Crédito da foto: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto #46)
Uma nova bateria à base de água pode fornecer uma maneira barata de armazenar energia eólica ou solar para mais tarde, dizem os pesquisadores.
A bateria armazena a energia gerada quando o sol está brilhando e o vento está soprando para que possa ser alimentado de volta para a rede elétrica e redistribuído quando a demanda é alta.
O protótipo de bateria de hidrogênio de manganês, relatado em natureza Energia, tem apenas três centímetros de altura e gera apenas 20 miliwatt de eletricidade, o que equivale ao nível de energia das lanternas de LED que estão penduradas em um chaveiro.
Apesar da produção diminuta do protótipo, os pesquisadores estão confiantes de que podem ampliar a tecnologia de mesa para um sistema de nível industrial que poderia carregar e recarregar até os tempos 10,000, criando uma bateria em escala de grade com uma vida útil bem maior do que década.
Yi Cui, professor de ciência dos materiais na Universidade de Stanford e autor sênior do artigo, diz que a tecnologia de baterias de hidrogênio-manganês pode ser uma das peças que faltam no enigma energético do país - uma maneira de armazenar energia solar ou vento imprevisível para diminuir a necessidade de queimar combustíveis fósseis confiáveis, mas emissores de carbono, quando as fontes renováveis não estiverem disponíveis.
"O que fizemos foi jogar um sal especial na água, colocar em um eletrodo e criar uma reação química reversível que armazena elétrons na forma de gás hidrogênio", diz Cui.
Química inteligente
Wei Chen, um estudante de pós-doutorado no laboratório de Cui, liderou a equipe que idealizou o conceito e construiu o protótipo. Em essência, os pesquisadores persuadiram uma troca de elétrons reversível entre a água e o sulfato de manganês, um sal industrial abundante e barato usado para fabricar pilhas secas, fertilizantes, papel e outros produtos.
Para imitar como uma fonte eólica ou solar poderia alimentar a bateria, os pesquisadores anexaram uma fonte de energia ao protótipo. Os elétrons que fluíam reagiram com o sulfato de manganês dissolvido na água para deixar partículas de dióxido de manganês agarradas aos eletrodos. O excesso de elétrons borbulhava como gás hidrogênio, armazenando essa energia para uso futuro.
Os engenheiros sabem como recriar a eletricidade a partir da energia armazenada no gás hidrogênio, então o próximo passo importante foi provar que eles podem recarregar a bateria à base de água.
Os pesquisadores fizeram isso ao reconectar sua fonte de energia ao protótipo exaurido, desta vez com o objetivo de induzir as partículas de dióxido de manganês agarradas ao eletrodo a se combinarem com água, reabastecendo o sal de sulfato de manganês. Uma vez que esse processo tenha restaurado o sal, os elétrons que chegam se tornam excedentes, e o excesso de energia pode se transformar em gás hidrogênio, em um método que pode ser repetido várias vezes.
Cui estima que, dada a expectativa de vida da bateria baseada em água, custaria um centavo para armazenar eletricidade suficiente para alimentar uma lâmpada 100-watt por doze horas.
“Acreditamos que esta tecnologia protótipo será capaz de atender às metas do Departamento de Energia para a praticidade do armazenamento elétrico em escala de utilidade pública”, diz Cui.
O Departamento de Energia (DOE) recomendou que as baterias para armazenamento em escala de grade armazenem e descarreguem pelo menos 20 kilowatts de energia durante um período de uma hora, tenham capacidade de pelo menos recargas 5,000 e tenham uma vida útil de 10 anos ou Mais. Para torná-lo prático, esse sistema de bateria deve custar US $ 2,000 ou menos, ou US $ 100 por quilowatt / hora.
O ex-secretário do DOE e ganhador do Prêmio Nobel, Steven Chu, agora professor em Stanford, tem um interesse de longa data em incentivar tecnologias para ajudar a transição da nação para a energia renovável.
"Embora os materiais e o design precisos ainda precisem de desenvolvimento, esse protótipo demonstra o tipo de ciência e engenharia que sugere novas maneiras de se obter baterias de baixo custo e longa duração", diz Chu, que não era membro da empresa. time de pesquisa.
Alimentando a grade
De acordo com estimativas do DOE, cerca de 70 por cento da eletricidade dos EUA é gerada por usinas de carvão ou gás natural, que respondem por 40 por cento das emissões de dióxido de carbono. Mudar para a geração eólica e solar é uma maneira de reduzir essas emissões. Mas isso cria novos desafios envolvendo a variabilidade da fonte de alimentação. Mais obviamente, o sol só brilha durante o dia e, às vezes, o vento não sopra.
Mas outra forma de variação menos bem compreendida, mas importante, vem de surtos de demanda na rede - essa rede de fios de alta tensão que distribui eletricidade sobre regiões e, em última instância, para residências. Em um dia quente, quando as pessoas chegam em casa e trabalham no ar condicionado, as concessionárias devem ter estratégias de balanceamento de carga para atender à demanda máxima: alguma forma de aumentar a geração de energia em poucos minutos para evitar quedas ou blecautes que poderiam derrubar a rede .
Hoje em dia, os serviços públicos geralmente conseguem isso acionando usinas sob demanda ou “descartáveis” que podem ficar ociosas a maior parte do dia, mas podem ficar on-line em minutos - produzindo energia rápida, mas aumentando as emissões de carbono. Algumas empresas de serviços públicos desenvolveram balanceamento de carga de curto prazo que não depende de usinas de queima de combustíveis fósseis.
A estratégia mais comum e eficaz em termos de custo é o armazenamento hidrelétrico bombeado: usando o excesso de energia para enviar a água para cima, permitindo que ela flua novamente para gerar energia durante a demanda de pico. No entanto, o armazenamento hidrelétrico só funciona em regiões com água e espaço adequados. Então, para tornar a energia eólica e solar mais útil, o DOE estimulou as baterias de alta capacidade como uma alternativa.
Vencendo a competição
Cui afirma que existem vários tipos de tecnologias de baterias recarregáveis no mercado, mas não está claro quais abordagens atenderão aos requisitos do DOE e comprovarão sua praticidade para as concessionárias, reguladores e outras partes interessadas que mantêm a rede elétrica do país.
Por exemplo, Cui diz que as baterias de íon de lítio recarregáveis, que armazenam a pequena quantidade de energia necessária para operar telefones e laptops, são baseadas em materiais raros e, portanto, são caras demais para armazenar energia em um bairro ou cidade. Cui diz que o armazenamento em escala de grade requer uma bateria recarregável de alta capacidade e baixo custo. O processo de manganês-hidrogênio parece promissor.
“Outras tecnologias de baterias recarregáveis são facilmente mais de cinco vezes maiores do que o tempo de vida útil”, acrescenta Cui.
Chen diz que química inovadora, materiais de baixo custo e relativa simplicidade tornaram a bateria de hidrogênio de manganês ideal para implantação em escala de grade de baixo custo.
O protótipo precisa de um trabalho de desenvolvimento para se provar. Por um lado, usa a platina como um catalisador para estimular as reações químicas cruciais no eletrodo que tornam o processo de recarga eficiente, e o custo desse componente seria proibitivo para a implantação em grande escala. Mas Chen diz que a equipe já está trabalhando em maneiras mais baratas de persuadir o sulfato de manganês e a água a realizar a troca reversível de elétrons.
"Nós identificamos catalisadores que poderiam nos trazer abaixo do alvo DOE de 100 por kilowatt-hora", diz ele.
Os pesquisadores relatam fazer recargas 10,000 dos protótipos, que é o dobro dos requisitos DOE, mas dizem que será necessário testar a bateria de hidrogênio de manganês sob condições reais de armazenamento da rede elétrica, a fim de avaliar verdadeiramente o seu desempenho ao longo da vida e custo.
Cui diz que tentou patentear o processo através do Departamento de Licenciamento de Tecnologia de Stanford e planeja formar uma empresa para comercializar o sistema.
Sobre os autores
Yi Cui, professor de ciência dos materiais na Universidade de Stanford, é o autor sênior do artigo. Co-autores adicionais são da Academia Chinesa de Ciências e Stanford. O Departamento de Energia financiou a pesquisa.
Fonte: Universidade de Stanford
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