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Eine neue Batterie auf Wasserbasis könnte eine preiswerte Möglichkeit bieten, Wind- oder Sonnenenergie für später zu speichern, sagen Forscher.

Die Batterie speichert Energie, die erzeugt wird, wenn die Sonne scheint und der Wind weht, so dass sie in das Stromnetz zurückgespeist und bei hoher Nachfrage neu verteilt werden kann.

Der Prototyp der Mangan-Wasserstoff-Batterie, berichtet in Nature Energy, steht nur drei Zoll groß und erzeugt nur 20 Milliwattstunden Strom, die auf Augenhöhe mit dem Energielevel von LED-Taschenlampen ist, die an einem Schlüsselring hängen.

Trotz der geringen Leistung des Prototyps sind die Forscher zuversichtlich, dass sie diese Tisch-Technologie zu einem Industrie-System erweitern können, das bis zu 10,000-Zeiten aufladen und aufladen kann, wodurch eine Batterie im Gitter-Maßstab mit einer nützlichen Lebensdauer von weit über einem hergestellt wird Dekade.

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

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

Clevere Chemie

Wei Chen, ein Postdoktorand in Cuis Labor, leitete das Team, das das Konzept ersonnen und den Prototyp gebaut hat. 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 zukünftige Verwendung.

Ingenieure wissen, wie man Elektrizität aus der in Wasserstoff gespeicherten Energie neu erzeugen kann. Der nächste wichtige Schritt war der Nachweis, dass sie die wasserbasierte Batterie wieder aufladen können.

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 dieser Prozess das Salz wiederherstellte, wurden ankommende Elektronen überzählig, und überschüssige Energie konnte als Wasserstoffgas in einer Methode abperlen, die immer wieder und wieder und wieder wiederholt werden kann.

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

"Wir glauben, dass diese Prototyptechnologie in der Lage sein wird, die Ziele des US-Energieministeriums für die praktische Nutzung von Elektrospeicher zu erfüllen", sagt Cui.

Das Energieministerium (Department of Energy, DOE) hat empfohlen, Batterien für netzwerkfähige Speicher zu lagern und mindestens 20 Kilowatt Leistung über einen Zeitraum von einer Stunde zu entladen, mindestens 5,000 wiederaufladbar zu machen und eine nutzbare Lebensdauer von 10 Jahren oder Mehr. Um es praktisch zu machen, sollte ein solches Batteriesystem $ 2,000 oder weniger oder $ 100 pro Kilowattstunde kosten.

Der ehemalige DOE-Sekretär und Nobelpreisträger Steven Chu, inzwischen Professor an der Stanford University, 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 zu kostengünstigen, langlebigen Batterien im großen Maßstab vorschlagen", sagt Chu, der nicht Mitglied der Forschungsgruppe.

Netz antreiben

Nach Schätzungen des DOE werden etwa 70 Prozent des US-amerikanischen Stroms von 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 das schafft neue Herausforderungen in Bezug auf die Variabilität der Stromversorgung. Am offensichtlichsten scheint die Sonne nur bei Tag und manchmal weht der Wind nicht.

Aber eine andere, weniger gut verstandene, aber wichtige Form der Variabilität kommt von den Überschüssen der Nachfrage auf dem Netz - dieses Netz von Hochspannungsdrähten, die Elektrizität über Regionen und schließlich auf Häuser 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 .

Heutzutage erreichen Energieversorger dies oft, indem sie bedarfsabhängige oder "zuteilbare" Kraftwerke anlassen, die den Großteil des Tages ungenutzt liegen, aber innerhalb weniger Minuten ans Netz gehen können, um schnelle Energie zu erzeugen und gleichzeitig die CO2-Emissionen zu erhöhen. Einige Versorgungsunternehmen haben eine kurzfristige Lastverteilung entwickelt, die nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen ist.

Die gebräuchlichste und kosteneffektivste Strategie ist ein Pumpspeicherkraftwerk: Überschüssige Energie wird verwendet, um Wasser bergauf zu leiten und es dann wieder zurückzufließen, um bei Spitzenbedarf Energie zu erzeugen. Die hydroelektrische Speicherung funktioniert jedoch nur in Regionen mit ausreichend Wasser und Raum. Um Wind und Sonne noch nützlicher zu machen, hat DOE als Alternative Hochleistungsakkus empfohlen.

Die Konkurrenz schlagen

Cui sagt, es gibt verschiedene Arten von wiederaufladbaren Batterietechnologien auf dem Markt, 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 sagt Cui, dass wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, die die kleinen Energiemengen speichern, die zum Betrieb von Telefonen und Laptops benötigt werden, auf seltenen Materialien basieren und daher zu teuer sind, um Strom für eine Nachbarschaft oder Stadt zu speichern. Cui sagt, dass die Speicherung im Rastermaßstab eine kostengünstige wiederaufladbare Batterie mit hoher Kapazität erfordert. Der Mangan-Wasserstoff-Prozess scheint vielversprechend.

"Andere wiederaufladbare Batterietechnologien sind leicht mehr als das Fünffache dieser Kosten über die Lebenszeit", fügt Cui hinzu.

Chen sagt, dass neuartige Chemie, kostengünstige Materialien und relative Einfachheit die Mangan-Wasserstoff-Batterie ideal für den kostengünstigen Einsatz im Rastermaß geeignet machen.

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 sagt, dass das Team bereits an billigeren Wegen arbeitet, um Mangansulfat und Wasser zum reversiblen Elektronenaustausch zu bringen.

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

Die Forscher berichten, 10,000-Wiederaufladungen der Prototypen durchzuführen, was doppelt so hoch ist wie die DOE-Anforderungen, aber es wird notwendig sein, die Mangan-Wasserstoff-Batterie unter tatsächlichen Lagerbedingungen zu testen, um ihre Lebensdauer und Kosten wirklich beurteilen zu können.

Cui sagt, 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.

Über die Autoren

Yi Cui, Professor für Materialwissenschaften an der Stanford University, ist der leitende Autor des Artikels. Weitere Koautoren stammen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Stanford. Das Department of Energy finanzierte die Forschung.

Quelle: Stanford University

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