Stanford araştırmacıları, güneş parladığında ve rüzgar estiğinde, rüzgarın veya güneş enerjisinin depolanmasının ucuz bir yolu olacak su bazlı bir pil geliştirdi.
Nature Energy‘de bildirilen prototip mangan-hidrojen bataryası yalnızca üç santim uzunluğunda ve 20 milwatt saatlik bir elektrik üretiyor.
Araştırmacılar 10 yıl içinde bu prototip teknolojiyi 10,000 kereye kadar şarj edebilen endüstriyel seviyede kullanılabilecek bir sisteme dönüştürebilirler.
Stanford’da Madde Bilimleri profesörü ve makalenin baş yazarı olan olan Yi Cui, mangan-hidrojen pil teknolojisinin enerji üretimi sorunlarındaki eksik parçalardan biri olabileceğini söyledi – bu yöntem, rüzgarı veya güneş enerjisini depolamanın yeni bir yolu.
Cui, ” Suya özel bir tuz attık, içine bir elektrot yerleştirdik ve elektronları hidrojen gazı şeklinde depolayan tersine çevrilebilir bir kimyasal reaksiyon yarattık” dedi.
Akıllıca Bir Kimya Yöntemi
Prototipi üreten ekip, Cui’nin laboratuvarında doktora sonrası araştırmacısı olan Wei Chen tarafından yönetildi. Araştırmacılar, kuru hücre pilleri, gübre, kağıt ve diğer ürünleri yapmak için kullanılan, bol miktarda ve ucuz bir endüstriyel tuz olan manganez sülfat ve su arasında tersine çevrilebilir bir elektron değişimi yaptılar.
Araştırmacılar, rüzgâr veya güneşin bataryaya nasıl güç vereceğini taklit etmek için, prototipe bir güç kaynağı eklediler. Akan elektronlar, manganez sülfat ile reaksiyona girerek, elektronlara yapışan manganez dioksit parçacıklarını bırakmak için suda çözündüler. Açıkta kalan elektronlar, hidrojen gazı olarak kabarcıklar oluşturdular ve böylece enerjiyi ileride kullanılması için depoladılar. Mühendisler, hidrojen gazında depolanan enerjiden nasıl elektrik üretileceğini biliyorlardı. Bir sonraki önemli adım ise su bazlı bataryanın yeniden şarj edilebildiğini kanıtlamaktı.
Araştırmacılar, güç kaynağını boş prototipe yeniden bağlayarak yeniden şarj etme işlemini gerçekleştirdi. Bu kez manganez dioksit partiküllerinin elektrolite yapışması ve suyla birleşmesi için manganez sülfat tuzunu yenileyerek tekrar doldurdular. Bu tuz yenilendikten sonra, gelen elektronlar fazlalaştı ve defalarca tekrarlanabilen bir işlemle fazla güç, hidrojen gazı olarak kabarcıklara dönüşebildi.
Cui, su bazlı pilin tahmini ömrünü göz önüne alarak, on iki saat boyunca 100 watt’lık bir ampul için yeterli elektriği depolamanın bir kuruşa mal olacağını öngördü.
Izgara ölçekli elektrik depolamak için piller saatte en az 20 kilovatlık bir güçle şarj edilmeli ve ardından boşaltmalı. En az 5,000 kez şarj edilebilme kapasitesine sahip olmalılar ve en az 10 yıllık bir kullanım ömrüne sahip olmalılar. Kullanışlı olabilmesi için böyle bir pil sisteminin maliyeti 2,000 $ veya daha az olmalı.
Şimdi Stanford’da profesör olan eski Enerji Bakanlığı Sekreteri ve Nobel ödüllü Steven Chu, yenilenebilir enerjiye geçişi destekleyen teknolojilerin teşvik edilmesine uzun zamandır ilgi duyuyor.
Araştırma ekibinin bir üyesi olmayan Chu, “Hassas malzeme ve tasarımın hala geliştirilmeye ihtiyaç duymasına rağmen, bu prototip, düşük maliyetli, uzun ömürlü ve faydalı piller vadediyor,” yorumunda bulundu.
Karbondan Uzaklaşmak
Birleşmiş Milletler Enerji Bakanlığı’nın tahminlerine göre, ABD elektriğinin yaklaşık yüzde 70’ini karbon dioksit salınımının yüzde 40’ını oluşturan kömür veya doğal gaz santrallerinden karşılıyor. Rüzgâra ve güneş enerjisine geçiş yapmak, bu salınımı azaltmanın bir yolu. Ancak güç kaynağının değişkenliği, içeren yeni bir sıkıntı oluşturuyor. Çünkü, güneş sadece gündüz var ve bazen rüzgar esmeyebiliyor.
Ama daha az anlaşılmış ve değişken bir çeşitlilik ise şebekeye olan talepten kaynaklanıyor – yani önce bölgelere ve son olarak da evlere elektrik dağıtan yüksek gerilimli kablo ağları. Sıcak bir günde, insanlar işten eve döndüklerinde ve klimayı açtıklarında, bu hizmet sağlayıcılar en yüksek talebi karşılayabilecek şekilde bir yük dengeleme stratejisine sahip olmalıdır: elektrik kesintilerini önlemek için güç üretimini dakikalar içinde artırmanın bir yolu olmalı.
Bugün kamu sektörü yüksek talepten dolayı çoğu zaman bu sorunu dakikalar içinde hızlı bir şekilde enerji üretebilen fakat karbon salınımlarını yüksek oranda artıran dağıtılabilir enerji santrallerini kullanarak gerçekleştirmektedir.
Bazı kuruluşlar ise, fosil yakıt tesislerinden farklı olarak kısa süreli yük dengelemeleri geliştirmiştir. En yaygın ve düşük maliyetli olan bu strateji, hidroelektrik depoya pompalanır: Suyu yokuş yukarı göndermek için fazla güç kullanmak ve ardından yoğun talep sırasında enerji üretmek için geri akmasına izin vermek. Bununla birlikte, hidroelektrik depolama sadece suyu ve geniş alanı olan bölgelerde kullanılabilir. Bu nedenle rüzgar ve güneşi daha kullanışlı hale getirmek için ABD Enerji Bakanlığı söz konusu olan yüksek kapasiteli bataryaları bir alternatif olarak teşvik ediyor.
Yüksek Kapasite, Düşük Maliyet
Cui, piyasada çeşitli tiplerde şarj edilebilir pil teknolojileri bulunduğunu, ancak hangi yaklaşımların ülkenin gereksinimlerini karşılayabileceğini ve bunların ülkenin elektrik şebekesini koruyan kamu kurumları için pratik olup olmadıklarının henüz kanıtlanmadığını belirtti.
Cui, örneğin telefonları ve dizüstü bilgisayarları çalıştırmak için gereken küçük miktardaki enerjiyi depolayan, şarj edilebilir lityum iyon pillerin, nadir bulunan ve pahalı malzemeler kullanılarak yapıldığını ve bu nedenle bir mahallenin veya şehrin elektriğini depolamak için çok pahalı olduklarını söyledi. Cui, ızgara-ölçekli depolamanın düşük maliyetli, yüksek kapasiteli, şarj edilebilir bir batarya gerektirdiğini ve mangan-hidrojen bataryaların ise ümit verici olduğunu söyledi.
Cui, “Ömür uzunlukları ile kıyaslandığında diğer şarj edilebilir pil teknolojilerin maliyeti, bu su bazlı pilin maliyetinin 5 katından çok daha fazla, ” dedi.
Chen, düşük maliyetli malzemeleri ve basitliği göz önüne alındığında, bu kimyasal yeniliğin manganez-hidrojen pilini düşük maliyetli dağıtım için ideal hale getirdiğini söyledi.
Chen, “Nature Energy’de yayınlanan bu yenilik, Enerji Bakanlığı’nın kriterlerini karşılama potansiyeline sahip,” dedi.
Prototipin kendini kanıtlaması için geliştirme çalışmalarına devam ediliyor. Şimmdilik tek sorun, yeniden şarj işlemini verimli hale getiren elektrottaki kritik kimyasal reaksiyonları teşvik etmek için bir katalizör olarak platin kullanılması ve bu bileşenin maliyeti büyük ölçekli bir dağıtım için engelleyici olacaktır. Ancak Chen, ekibin tersine çevrilebilir elektron alışverişini gerçekleştirmek için daha ucuz yollarla çalıştığını söyledi. Chen, “Bizi kilowatt saat başına 100 doların altına getirecek katalizörleri belirledik” ifadesini kullandı.
Araştırmacılar, prototipin 10.000 kez şarj edilebildiğini rapor ettiler, ki bu da Enerji Bakanlığı’nın ihtiyacının iki katıdır. Ancak ömür boyu performans ve maliyetini gerçekten değerlendirmek için mangan-hidrojen pilin gerçek bir elektrik şebekesi koşullarında test edilmesi gerekiyor.
Cui, Stanford Teknoloji Ruhsatı Ofisi aracılığıyla patent sürecinde olduğunu ve sistemi ticarileştirmek için bir şirket kurmayı planladığını söyledi.
Yi Cui, aynı zamanda, SLAC Ulusal Laboratuvarı’nda Foton Bilim Direktörlüğü’nde profesör, Precourt Enerji Enstitüsünün kıdemli üyesi, Stanford Bio-X ve Stanford Nörobilim Enstitülerinin de üyesidir.
Kaynak: Science Daily