L'intermittenza di energia solare ed eolica sta portando gli operatori della rete alla ricerca di modi migliori per immagazzinare energia.
Potenza raccolte dal Sole e dal vento è versando in reti elettriche dal gigawatt. Ciò rende sempre più importante trovare un modo efficace e conveniente per immagazzinare energia rinnovabile per quei tempi, quando la brezza muore o il cielo appannarsi.
"Ora abbiamo una buona possibilità di risolvere quel problema", dice Michael Aziz, uno scienziato dei materiali presso la Harvard University di Cambridge, Massachusetts. La sua soluzione è una batteria di flusso che eroga una alta densità di energia senza necessità per i metalli costosi trovati in altri modelli.
Batterie di flusso funzionano pompando diversi brodi chimiche su due elettrodi separati da una membrana. I protoni cambio chimici attraverso la membrana e gli elettroni navetta lungo il circuito che collega gli elettrodi, che scarica la batteria. Invertendo la reazione di ricarica della cella (vedi figura in basso).
Il grande vantaggio di batterie di flusso è che le sostanze chimiche possono essere immagazzinati in serbatoi di fuori del complesso di batteria. Aumento della capacità è semplicemente una questione di costruzione di serbatoi più grandi, rendendo le batterie di flusso particolarmente adatto per lo stoccaggio di energia su larga scala.
Le batterie più avanzate flussi commerciali si affidano a ioni di vanadio. Una manciata di batterie di flusso di vanadio sono in funzione in tutto il mondo, e lo scorso anno in Giappone, dove l'energia solare è in aumento, la Hokkaido Electric Power Company ha ordinato la batteria di flusso vanadio grande del mondo. La batteria dovrebbe essere pronto nel 2015.
"Il problema è, vanadio è molto costoso", dice Aziz.
Alimentatore
Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno studiato molti altri sistemi chimici e governato tutti, ma una manciata fuori. "La tavola periodica è stato abbastanza bene raccolto oltre", dice Aziz. «Così abbiamo introdotto il mondo della chimica organica a questo problema."
Anodo della sua batteria usa una soluzione di acido solforico contenente un tipo di composto organico noto come un chinone. Il chinone è economico e non necessita di sollecitazione catalitico reagire con protoni per formare un idrochinone alta energia, la carica così la batteria. Aziz abbinato questa metà del flusso batteria con un partner noto: un catodo che alterna bromo e acido bromidrico.
La reazione chinone-idrochinone è circa 1.000 volte più veloce rispetto alla reazione di vanadio rivale, permettendo alla batteria di carica e scarica velocemente. E cambiando alcuni gruppi chimici del chinoni, Aziz può alterare la loro solubilità e anche la tensione della batteria di flusso, messa a punto del sistema. La batteria, presentato oggi in Nature 1 , ha completato 100 cicli di carica-scarica con nessun segno di degrado (anche se un sistema commerciale avrebbe probabilmente bisogno di top 10.000 cicli).
Aziz calcola che la sua batteria di flusso potrebbe memorizzare un kilowattora di energia prodotti chimici che costano 27 dollari - un terzo il prezzo del sistema di vanadio rivale. Ulteriori miglioramenti potrebbero renderla competitiva con le altre tecnologie per la memorizzazione di grandi quantità di energia, come l'aria compressa.
"Vorrei solo che avevo pensato, perché si tratta di un semplice sistema tale", dice Robert Savinell, un ingegnere elettrochimica presso la Case Western Reserve University di Cleveland, Ohio. «E le idee più semplici sono spesso le più efficaci."
Soluzione organica
Il sistema è ben lungi dall'essere perfetto, però: bromo e acido bromidrico sono corrosivi e possono causare grave inquinamento se trapelate. "Il bromo è, in questo momento, il tallone d'Achille di questa particolare batteria", dice Aziz. La risposta potrebbe essere quella di andare completamente biologico, aggiunge: "Stiamo lavorando sulla sostituzione del bromo con un chinone diverso."
Ha finanziamenti dagli Stati Uniti Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) per sviluppare il concetto in un grande prototipo "delle dimensioni di un rimorchio cavallo" entro tre anni.Il suo team sta anche lavorando con società pulita tecnologia innovazioni sostenibili di Glastonbury, nel Connecticut, per commercializzare la batteria di flusso.
Non sono solo le aziende energetiche che sono interessati a batterie di flusso. "Il mercato più grande a livello di ingresso è per le industrie che intendono ridurre le bollette di energia elettrica di potere d'acquisto più conveniente di notte, e di utilizzarlo per la produzione durante il giorno", dice Savinell.
Batterie di flusso più economiche potrebbe anche essere abbinati a pannelli solari domestici, aggiunge Aziz. Utilizzando un sistema non più grande rispetto ai 2.000 litri serbatoi di riscaldamento ad olio che sono già installati in molte case, si calcola, "è plausibile per memorizzare un giorno di energia solare, e alimentare la vostra casa la sera".
Adattato da Wang, W. et al. Adv. Funz. Mater. 23, 970-986 (2013).
In una batteria di flusso, due liquidi vengono pompati da serbatoi separati per subire reazioni e scambiare ioni positivi attraverso una membrana, generazione di energia elettrica. In modalità di ricarica, la reazione viene invertita.
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