Jak twierdzi zespół naukowców z Harvard University, rabarbar oraz inne proste, zielone rośliny mogą stać się źródłem materiałów dla nowej generacji baterii przepływowych, umożliwiających tańsze i bezpieczniejsze przechowywanie energii pochodzącej z nieciągłych źródeł odnawialnych. Skonstruowany przez inżynierów prototyp akumulatora z chinonowym elektrolitem może w przyszłości rozpowszechnić budowę domowych elektrowni słonecznych i wiatrowych.
Budowa taniego urządzenia do gromadzenia energii wytwarzanej przy udziale wiatru, czy słońca od lat spędza sen z powiek inżynierów na całym świecie. Brak odpowiedniego systemu magazynowania oraz duża zmienność warunków atmosferycznych ogranicza konkurencyjność energii wiatrowej i słonecznej wobec paliw kopalnych, takich jak węgiel. W 505 edycji czasopisma Nature opublikowanej 9 stycznia 2014 badacze ze Stanów Zjednoczonych zaprezentowali nowy typ akumulatora przepływowego mogącego wpłynąć na obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności gromadzenia energii elektrycznej. Konstrukcja nowych baterii opiera się na niedrogich, małych, organicznych cząsteczkach na bazie węgla zwanych chinonami, podobnymi do tych, które transportują ładunki elektryczne u roślin i zwierząt.
Baterie przepływowe chemicznie magazynują energię w roztworze elektrolitu. Substancja jonowa znajduje się w zasobniku, a przez membranę do wymiany ładunków elektrycznych trafia do ogniw. Reakcja ta jest odwracalna, umożliwia pełny cykl ładowania i rozładowania. Płyn zamiast we wnętrzu akumulatora, gromadzony jest w zewnętrznych zbiornikach. Energia, która może być przechowywana w tego typu aparatach ograniczona jest tylko pojemnością zbiorników. Do tej pory instalacje przepływowe korzystały z kosztownych elektrolitów zawierających trudne w obsłudze i utrzymaniu aktywne składniki. Najczęściej wykorzystywane były jony metali, a zaawansowane ogniwa budowane były w oparciu o wanad. Niestety, wysoka cena przechowania jednej kilowatogodziny sprawia, że konstrukcje te są póki co nieopłacalne. Mimo tego, akumulatory przepływowe ze względu na wielką moc i możliwości tworzenia praktycznie dowolnych układów energetycznych są intensywnie rozwijane. Zastosowanie takich instalacji umożliwiłoby podłączenie systemów elektrowni wiatrowych i słonecznych do globalnej sieci energetycznej. Rozwiązałoby to problem składowania energii w okresach mniejszego zapotrzebowania i uwalniania jej podczas zwiększonego zapotrzebowania.
Chinony występują powszechnie w ropie naftowej oraz roślinach zielonych. W prototypie chinonowego akumulatora wykorzystano organiczne molekuły o budowie niemal identycznej jaką posiadają chinony występujące w rabarbarze – kwas antrachinonodisulfonowy (z ang. 9,10- anthraquinone-2,7-disulphonic acid, AQDS). AQDS ulega bardzo szybkiej i odwracalnej dwuelektronowej redukcji na węglowej elektrodzie zanurzonej w kwasie siarkowym. Oznacza to, że bateria może przechowywać dwa razy więcej energii w danej objętości w porównaniu do jednoelektronowych reduktorów. Użycie znacznie tańszych nośników elektrycznych od jonów metali szlachetnych otwiera gamę nowych możliwości. Dodatkowo, chinony dobrze rozpuszczają się w wodzie, co uniemożliwia zapalenie się instalacji. Przeciwieństwem są baterie np. na bazie litu, gdzie występuje pewne ryzyko zapłonu. Przepływowy prototyp przepracował ponad 100 cykli ładowania/rozładowania bez oznak degradacji przy 99% zapełnieniu.
Badania wchodzą w skład programu OPEN 2012, finansowanego przez amerykański departament energii (z ang. U.S. Department of Energy’s Advanced Research Projects Agency–Energy, ARPA-E). Jak sugerują naukowcy, opracowanie innowacyjnego, organicznego akumulatora może mieć kluczowe znaczenie dla dalszego rozwoju urządzeń do gromadzenia energii. Lider zespołu, profesor Michael Aziz potwierdza, iż podjęto kolejne kroki optymalizacji systemu, które pozwolą na wytwarzanie go w skali przemysłowej. Celem jest zbudowanie mobilnej wersji instalacji, zdolnej do przechowania 24 kWh energii, czyli tyle, ile wytwarza standardowy panel fotowoltaiczny w ciągu 8 godzin.
Źródło:
[1] A metal-free organic–inorganic aqueous flow battery. Brian Huskinson, Michael P. Marshak, Changwon Suh, Süleyman Er, Michael R. Gerhardt, Cooper J. Galvin, Xudong Chen, Alán Aspuru-Guzik, Roy G. Gordon & Michael J. Aziz. Nature 505, 195–198 (09 January 2014) doi:10.1038/nature12909
[2] http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7482/full/nature12909.html [13.01.2014]
[3] http://www.seas.harvard.edu/news/2014/01/organic-mega-flow-battery-promises-breakthrough-for-renewable-energy [13.01.2014]
[4] http://www.smh.com.au/technology/sci-tech/new-lowcost-highenergy-batteries-could-be-powered-by-rhubarb-plants-20140109-30iok.html [13.01.2014]
[5] http://www.nytimes.com/2014/01/09/business/energy-environment/from-harvard-a-cheaper-storage-battery.html?&_r=0 [13.01.2014]
[6] A Week in Tokyo 61 by Tokyo Times (localjapantimes), flickr.com, CC BY 2.0