Kontaktiere uns
Tel .: + 86-755-25629920
Fax: + 86-755-25629925
Mob: +8613828897550
E-Mail: sales@himaxelectronics.com
Adresse: Gebäude C, Huaming Industriepark, Huaming Road, Dalang, Longhua, Shenzhen China
Startseite > News > Inhalt
Forscher entwickeln wasserbasierte Batterie zur Speicherung von Solar- und Windenergie
May 09, 2018

Forscher entwickeln eine wasserbasierte Batterie zur Speicherung von Sonnen- und Windenergie

30. April 2018, Stanford Universität

Weitere Informationen: Eine Mangan-Wasserstoff-Batterie mit Potenzial für eine Energiespeicherung im Netz, Nature Energy (2018). nature.com/articles/doi:10.1038/s41560-018-0147-7  

Zur Verfügung gestellt von der Stanford University

图片1.png

Stanford-Forscher haben eine wasserbasierte Batterie entwickelt, die eine günstige Möglichkeit bietet, Wind- oder Solarenergie zu speichern, die erzeugt wird, wenn die Sonne scheint und der Wind weht, damit sie in das Stromnetz zurückgespeist und bei hoher Nachfrage verteilt werden kann.

 

Der Prototyp der Mangan-Wasserstoff-Batterie, von dem heute in Nature Energy berichtet wird, ist nur drei Zoll groß und erzeugt lediglich 20 Milliwattstunden Strom, was dem Energielevel von LED-Taschenlampen entspricht, an die man einen Schlüsselring hängen könnte.

 

Trotz der geringen Leistung des Prototyps sind die Forscher zuversichtlich, dass sie diese Tisch-Technologie zu einem industriellen System ausbauen können, das bis zu 10.000 Mal aufgeladen und aufgeladen werden kann, wodurch eine Batterie im Gitter-Maßstab mit einer nützlichen Lebensdauer von weit über einem hergestellt wird Dekade.

 

Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften in Stanford und leitender Autor des Artikels, sagte, Mangan-Wasserstoff-Batterie-Technologie könnte einer der fehlenden Teile in der Nation Energie Puzzle sein - eine Möglichkeit, unvorhersehbare Wind- oder Sonnenenergie zu speichern, um die zu verringern müssen zuverlässige, aber kohlenstoffemittierende fossile Brennstoffe verbrennen, wenn die erneuerbaren Quellen nicht verfügbar sind.

 

"Was wir getan haben, ist ein spezielles Salz in Wasser geworfen, in eine Elektrode fallengelassen und eine reversible chemische Reaktion erzeugt, die Elektronen in Form von Wasserstoffgas speichert", sagte Cui.

 

Clevere Chemie

 

Das Team, das sich das Konzept ausgedacht und den Prototyp gebaut hat, wurde von Wei Chen, einem Postdoc in Cuis Labor, geleitet. Im Wesentlichen locken die Forscher einen reversiblen Elektronenaustausch zwischen Wasser und Mangansulfat, einem billigen, reichlich vorhandenen Industriesalz, das zur Herstellung von Trockenzellenbatterien, Düngemitteln, Papier und anderen Produkten verwendet wird.

 

Um nachzuahmen, wie eine Wind- oder Solarquelle die Batterie mit Energie versorgen könnte, befestigten die Forscher eine Stromquelle an den Prototyp. Die einströmenden Elektronen reagierten mit dem im Wasser gelösten Mangansulfat , wobei an den Elektroden anhaftende Mangandioxidpartikel zurückblieben. Überschüssige Elektronen sprudelten als Wasserstoffgas ab und speicherten diese Energie für die zukünftige Verwendung. Ingenieure wissen, wie man Elektrizität aus der in Wasserstoff gespeicherten Energie nachbildet. Der wichtigste nächste Schritt war der Nachweis, dass die wasserbasierte Batterie wieder aufgeladen werden kann.

 

Die Forscher taten dies, indem sie ihre Energiequelle an den erschöpften Prototyp anschlossen, dieses Mal mit dem Ziel, die Mangandioxidteilchen, die an der Elektrode anhaften, mit Wasser zu verbinden, wobei das Mangansulfatsalz aufgefüllt wurde. Sobald dieses Salz wiederhergestellt war, wurden die eintretenden Elektronen überzählig, und überschüssige Energie konnte als Wasserstoffgas in einem Prozess abperlen , der immer wieder und wieder und wieder wiederholt werden konnte.

Cui schätzte, dass es, angesichts der erwarteten Lebensdauer der wasserbasierten Batterie, einen Penny kosten würde, genug Strom zu speichern, um eine 100-Watt-Glühbirne zwölf Stunden lang mit Strom zu versorgen.

 

"Wir glauben, dass diese Prototyptechnologie in der Lage sein wird, die Ziele des Energieministeriums (Department of Energy, DOE) für den praktischen Einsatz elektrischer Energiespeicher zu erfüllen", sagte Cui.

 

Das Energieministerium hat empfohlen, Batterien für die Speicherung im Rastermaßstab zu lagern und dann mindestens 20 Kilowatt Leistung über einen Zeitraum von einer Stunde zu entladen, mindestens 5.000 Wiederaufladungen zu ermöglichen und eine nutzbare Lebensdauer von 10 Jahren oder mehr zu haben. Um es praktisch zu machen, sollte ein solches Batteriesystem 2.000 US-Dollar oder weniger oder 100 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten.

 

Der ehemalige Energieminister und Nobelpreisträger Steven Chu, inzwischen Professor an der Stanford Universität, hat ein langjähriges Interesse daran, Technologien zu fördern, die den Übergang der Nation zu erneuerbaren Energien unterstützen.

 

"Während die präzisen Materialien und das Design noch weiterentwickelt werden müssen, zeigt dieser Prototyp die Art von Wissenschaft und Technik, die neue Wege zum Erreichen kostengünstiger, langlebiger Batterien im Energiebereich vorschlägt", sagte Chu, der kein Mitglied des Forschungsteams war .

 

Weg vom Kohlenstoff

 

Schätzungen des US-Energieministeriums zufolge werden etwa 70 Prozent des US-Stroms aus Kohle- oder Erdgaskraftwerken erzeugt, auf die 40 Prozent der Kohlendioxidemissionen entfallen. Die Umstellung auf Wind- und Solarenergie ist eine Möglichkeit, diese Emissionen zu reduzieren, aber sie schafft neue Herausforderungen, die die Variabilität der Stromversorgung betreffen. Am offensichtlichsten scheint die Sonne nur bei Tag und manchmal weht der Wind nicht.

 

Aber eine andere weniger gut verstandene, aber importierte Form der Variabilität kommt von den Überschüssen der Nachfrage auf dem Stromnetz - dieses Netz von Hochspannungsleitungen, die Elektrizität über Regionen und schließlich auf Haushalte verteilen. An einem heißen Tag, wenn die Leute von der Arbeit nach Hause kommen und die Klimaanlage ankurbeln, müssen Energieversorger Lastausgleichsstrategien haben, um den Spitzenbedarf zu decken: eine Möglichkeit, die Stromerzeugung innerhalb weniger Minuten zu steigern, um Stromausfälle oder Stromausfälle zu vermeiden .

 

Heute schaffen Versorgungsunternehmen dies oft, indem sie bedarfsabhängige oder "zuteilbare" Kraftwerke anlassen, die den Großteil des Tages ungenutzt bleiben, aber innerhalb weniger Minuten ans Netz gehen können - indem sie schnelle Energie erzeugen, aber die CO2-Emissionen erhöhen. Einige Versorgungsunternehmen haben eine kurzfristige Lastverteilung entwickelt, die nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen ist. Die gebräuchlichste und kosteneffektivste Strategie ist die gepumpte hydroelektrische Speicherung: Überschüssige Energie wird verwendet, um Wasser bergauf zu leiten und es dann wieder abfließen zu lassen, um bei Spitzenbedarf Energie zu erzeugen. Die Speicherung von Wasserkraft funktioniert jedoch nur in Regionen mit Wasser und Raum. Um Wind und Sonne noch nützlicher zu machen, hat DOE Batterien mit hoher Kapazität als Alternative gefördert.

 

Hohe Kapazität, geringe Kosten

 

Cui sagte, dass es mehrere Arten von wiederaufladbaren Batterietechnologien auf dem Markt gibt, aber es ist nicht klar, welche Ansätze die DOE-Anforderungen erfüllen und den Versorgern, Regulatoren und anderen Stakeholdern, die das nationale Stromnetz aufrechterhalten, ihre praktische Anwendbarkeit beweisen.

 

Zum Beispiel sagte Cui wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, die die kleinen Mengen an Energie speichern, die benötigt werden, um Telefone und Laptops zu betreiben, basieren auf seltenen Materialien und sind daher zu teuer, um Strom für eine Nachbarschaft oder Stadt zu speichern. Cui sagte, dass die Speicherung im Rastermaßstab eine kostengünstige, wiederaufladbare Batterie mit hoher Kapazität erfordert und der Mangan-Wasserstoff-Prozess vielversprechend erscheint.

 

"Andere wiederaufladbare Batterietechnologien sind leicht mehr als das 5-fache dieser Kosten über die Lebenszeit", fügte Cui hinzu.

 

Chen sagte, dass neuartige Chemie, kostengünstige Materialien und relative Einfachheit die Mangan-Wasserstoff-Batterie ideal für den kostengünstigen Einsatz im Gittermaßstab machten.

 

"Der Durchbruch, den wir in Nature Energy berichten, hat das Potenzial, die Rasterkriterien des DOE zu erfüllen", sagte Chen.

 

Der Prototyp braucht Entwicklungsarbeit, um sich zu bewähren. Zum einen nutzt es Platin als Katalysator, um die entscheidenden chemischen Reaktionen an der Elektrode anzuregen, die den Wiederaufladeprozess effizient machen, und die Kosten dieser Komponente wären für den Einsatz im großen Maßstab unerschwinglich. Aber Chen sagte, das Team arbeite bereits an billigeren Wegen, um das Mangansulfat und Wasser zum reversiblen Elektronenaustausch zu bringen.

 

"Wir haben Katalysatoren identifiziert, die uns unter das DOE-Ziel von 100 Dollar pro Kilowattstunde bringen könnten", sagte er.

 

Die Forscher berichteten von 10.000 Nachladungen der Prototypen, was dem Doppelten der DOE-Anforderungen entspricht, aber es wird notwendig sein, die Mangan-Wasserstoff-Batterie unter tatsächlichen Lagerbedingungen zu testen, um ihre Lebensdauer und Kosten zu beurteilen.

 

Cui sagte, er habe versucht, den Prozess durch die Stanford Office of Technology Lizenzierung zu patentieren, und plant, ein Unternehmen zu gründen, um das System zu kommerzialisieren.

 

Yi Cui ist außerdem Professor am Photon Science Directorate des SLAC National Accelerator Laboratory und Senior Fellow des Precourt Institute for Energy, Mitglied der Stanford Bio-X und des Stanford Neurosciences Institute. Weitere Koautoren sind Guodong Li, ein Gastwissenschaftler in Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und jetzt bei der Chinesischen Akademie der Wissenschaften; Postdoc-Wissenschaftler Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen und Jiangyan Wang; Besuchsgelehrter Hao Zhang; und Studenten Zheng Liang, Yuzhang Li und Allen Pei.