Su bazlı piller, şebeke ölçekli güneş ve rüzgâr projeleri için yeni bir olanak sunuyor
04 May 2018
Stanford Üniversitesi araştırmacıları, rüzgâr veya güneş enerjisini depolamak için ekonomik bir yöntem olabilecek su bazlı bir pil geliştirdi, böylece depolanan elektrik, talebin yüksek olduğu zamanlarda şebekeye geri beslenebilecek.
Nature Energy'de 30 Nisan'da yayınlanan habere göre; mangan-hidrojen pil prototipi, üç inç uzunluğunda ve yalnızca 20 milwatt saatlik bir elektrik üretiyor, bu da bir anahtarlık üzerindeki LED el feneri için gereken miktara eşit. Prototipin çok küçük olmasına rağmen, araştırmacılar on yıl içinde bu teknolojiyi, 10.000 kereye kadar şarj edebilen ve şarj edebilen endüstriyel bir sistem kadar ölçeklendirebileceklerinden eminler.
Stanford'da malzeme bilimi profesörü ve Yi Cui, mangan-hidrojen pil teknolojisinin ulusun enerji bulmacasındaki eksik parçalardan biri olabileceğini söylüyor:
“Yaptığımız şey suya özel bir tuz atıp, elektrota damlatmak ve elektronları hidrojen gazı şeklinde depolayan tersine çevrilebilir bir kimyasal reaksiyon yaratmak” dedi.
Araştırmacılar, ucuz, bol miktarda bulunan, endüstriyel tuz olan manganez sülfat ve su arasında tersine çevrilebilir bir elektron değişimi gerçekleştirdi.
Bir rüzgâr veya güneş kaynağının bataryaya nasıl güç aktaracağını simüle etmek üzere, prototipe bir güç kaynağı eklendi. Elektronlar, manganez sülfat ile reaksiyona girerek, elektrotlara yapışan manganez dioksit parçacıklarını bırakmak için suda çözündü. Elektron fazlası, hidrojen gazı olarak kabarcık haline gelip bu enerjiyi gelecekteki kullanım için saklamaktadır. Mühendisler, hidrojen gazında depolanan enerjiden nasıl elektrik üretileceğini biliyor, böylece bir sonraki adım, su bazlı depolama cihazının yeniden şarj edilebildiğini kanıtlamak oldu.
Araştırmacılar, güç kaynağını enerjisi tükenmiş prototipe yeniden bağlayarak bunu test etti; bu kez manganez dioksit partiküllerinin suyla birlikte elektroda yapışmasıyla manganez sülfat tuzunun yeniden şarjı sağlandı. Bu tuz yenilendikten sonra, gelen elektronlar fazlalaştı ve tekrar tekrar tekrar tekrar edilebilen bir işlemde aşırı güç hidrojen gazı olarak kabarcıklaşabilirdi.
Bu tuz restore edildikten sonra, gelen elektronlar fazlalaştı ve defalarca tekrar edilebilen bir işlemde, aşırı güç hidrojen gazı olarak kabarcıklaşabildi.
Konsept hayalini kuran ve prototipi inşa eden ekip, Cui'nin laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı Wei Chen tarafından yönetildi.
Cui, su bazlı pilin beklenen ömrüne göre, on iki saat boyunca 100 watt'lık bir ampul için yeterli elektriği depolamanın bir Peni’ye mal olacağını hesapladı.
Cui, "Bu prototip teknolojisinin, şebeke ölçeğinde elektriksel depolama için ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) hedeflerini karşılayabileceğine inanıyoruz" dedi.
DOE, şebeke ölçekli depolama için pillerin saatte en az 20 kilovatlık enerji şarj ve deşarjına sahip olması, en az 5,000 kez şarj edilebilmesi ve 10 yıl veya daha uzun bir kullanım ömrüne sahip olması gerektiğini belirtiyor. Bu pilin uygulamaya geçebilmesi için maliyetinin 2,000 $ veya daha altında olması veya kilovat saat başına 100 USD’ı geçmemesi gerekiyor.
Karbondan kaçış
DOE tahminlerine göre, ABD elektriğinin yaklaşık yüzde 70'i karbon dioksit emisyonlarının yüzde 40'ını oluşturan kömür veya doğal gaz santralleri tarafından üretiliyor. Rüzgâra ve güneş enerjisine geçiş yapmak, bu emisyonları azaltmanın bir yoludur, ancak güç kaynağının değişkenliği, güneşin ve rüzgârın düzensizliği aşılması gereken sorun olarak görülmektedir.
Elektrik tedariğinde hizmet sağlayıcılar pik dönem taleplerini karşılamak için yük dengeleme stratejilerine sahip olmalıdır; rüzgâr ve güneşi daha kullanışlı hale getirmek için DOE yüksek kapasiteli bataryaları bir alternatif olarak teşvik etmektedir.
Cui, telefonları ve dizüstü bilgisayarları çalıştırmak için gereken nispeten küçük miktardaki enerjiyi depolayan, şarj edilebilir lityum iyon pillerin, kolaylıkla, sıklıkla bulunmayan malzemelere dayandığını ve bu nedenle bir mahallenin veya şehrin elektrik gücünü depolamak için çok pahalı olabileceğini söyledi. Cui, şebeke ölçekli depolamanın düşük maliyetli, yüksek kapasiteli, şarj edilebilir bir depolama ünitesi gerektirdiğini ve mangan-hidrojen sürecinin ümit verici olduğunu söyledi.
Cui, "Diğer şarj edilebilir pil teknolojilerine nazaran, yaşam süresi boyunca 5 katından daha az maliyetli" dedi. Chen, bu yeni kimyasal yöntem, düşük maliyetli malzemeler ve göreceli sadelik, manganez-hidrojen pilini düşük maliyetli şebeke ölçekli elektrik dağıtımı için ideal hale getirdiğini söyledi.
Prototipin kendini kanıtlamak için geliştirmesi gerekiyor. Yeniden şarj işlemini verimli hale getiren elektrotta kritik kimyasal reaksiyonları teşvik etmek için bir katalizör olarak platin kullanılıyor ve bu bileşenin maliyeti büyük ölçekli elektrik dağıtımı için cazip değil. Ancak Chen, ekibin tersinir elektron alışverişini gerçekleştirmek için manganez sülfat ve suyu bir araya getirecek daha ucuz yöntemler üzerine çalıştıklarını söyledi. "Bizi kilovat saat başına 100 doların altına düşürecek katalizörleri belirledik" dedi.
Araştırmacılar, prototiplerini DOE’nin gerek gördüğü miktarın iki katı, 10.000 kez şarj ile test etti. Ancak ömür boyu performans ve maliyetini reel olarak değerlendirmek için mangan-hidrojen pilini gerçek elektrik şebekesi depolama koşullarında test etmek gerekecek.
Cui, Stanford Teknoloji Lisans Ofisi aracılığıyla patent sürecinde olduklarını ve sistemi ticarileştirmek için bir şirket kurmayı planladığını söyledi.
Bu çalışma Enerji Bakanlığı tarafından finanse edildi.