Новый источник возобновляемой энергии

Места, где смешиваются соленая океанская и пресная вода, могут стать источником возобновляемой энергии.

 

Соль - это сила. Это может звучать как алхимия, но энергия в местах, где смешиваются соленая океанская и пресная вода, может стать источником возобновляемой энергии. Исследователи из Стэнфорда разработали недорогую, долговечную технологию, которая могла бы использовать эту так называемую «синюю» энергию.

В документе, недавно опубликованном в ACS Omega Американского химического общества, описывается аккумулятор и предлагается использовать его, чтобы сделать установки очистки сточных вод в прибрежных районах энергонезависимыми.

«Синяя энергия - это огромный и неиспользованный источник возобновляемой энергии», - сказал соавтор исследования Кристиан Дубравски, доктор наук в области гражданского и экологического строительства в Стэнфорде. «Наша батарея является важным шагом к практическому захвату этой энергии без мембран, движущихся частей или ввода энергии».

Дубравский работает в лаборатории соавтора исследования Крейга Кридла, профессора гражданского и экологического инжиниринга, известного своими междисциплинарными проектами в области энергоэффективных технологий. Идея разработки батареи, которая использует градиенты соли, возникла у соавторов исследования Йи Цуя, профессора материаловедения и инженерии, и Мауро Паста, доктора наук в области материаловедения и инженерии во время исследования. Применение этой концепции к береговым очистным сооружениям было поворотом Кридла, рожденного его многолетним опытом разработки технологий очистки сточных вод.

Исследователи протестировали прототип батареи, следя за ее выработкой энергии, одновременно промывая ее чередующимися почасовыми обменами сточных вод с Пало-Альто Регионального завода по контролю качества воды и морской воды, собранной неподалеку от Залива Полумесяца. За 180 циклов аккумуляторные материалы сохранили 97-процентную эффективность в захвате энергии из градиента солености.

Технология может работать в любом месте, где смешиваются пресная и соленая вода, но очистные сооружения предлагают особенно ценный пример. Очистка сточных вод является энергоемкой и составляет около трех процентов от общей электрической нагрузки в США. Этот процесс, необходимый для здоровья населения, также уязвим к отключениям электросети. Обеспечение энергетической независимости очистных сооружений не только сократит потребление электроэнергии и выбросы, но и сделает их невосприимчивыми к отключениям электроэнергии - главное преимущество в таких местах, как Калифорния, где недавние пожары привели к крупномасштабным отключениям.

Сила воды

Каждый кубический метр пресной воды, которая смешивается с морской водой, производит около 0,65 киловатт-часов энергии - этого достаточно для питания среднего американского дома в течение примерно 30 минут. В глобальном масштабе теоретически извлекаемая энергия из береговых очистных сооружений составляет около 18 гигаватт - этого достаточно для питания более 1700 домов в год.

Батарея Стэнфордской группы не первая технология, которая преуспевает в улавливании «синей» энергии, но она первая использует электрохимию батареи вместо давления или мембран. Если это работает в масштабе, технология предложит более простое, надежное и экономически эффективное решение.

Процесс сначала высвобождает ионы натрия и хлорида из электродов батареи в раствор, протекая ток от одного электрода к другому. Затем, быстрый обмен сточных вод с морской водой приводит к тому, что электрод реинкорпорирует ионы натрия и хлорида и реверсирует ток. Энергия восстанавливается как во время притока пресной, так и морской воды, без предварительных затрат энергии и без необходимости зарядки. Это означает, что батарея постоянно разряжается и перезаряжается, не требуя каких-либо затрат энергии.

Надежная и доступная технология

Несмотря на то что лабораторные испытания показали, что выходная мощность на площадь электрода все еще остается низкой, потенциал увеличения емкости аккумулятора считается более осуществимым, чем в предыдущих технологиях, из-за его малой занимаемой площади, простоты, создания постоянной энергии и отсутствия мембран или инструментов для контроля заряда и напряжения. Электроды изготовлены из материала Prussian Blue, широко используемого в качестве пигмента и лекарственного средства, стоимость которого составляет менее 1 доллара США за килограмм, и полипиррола, материала, используемого экспериментально в батареях и других устройствах, который продается менее чем за 3 доллара США за килограмм.

Также нет необходимости в резервных батареях, так как материалы являются относительно прочными, покрытие из поливинилового спирта и сульфосукциновой кислоты защищает электроды от коррозии и не содержит движущихся частей. Если масштабировать, технология может обеспечить достаточное напряжение и ток для любой береговой очистной установки. Избыточное производство электроэнергии может быть даже направлено на ближайшую промышленную эксплуатацию, например, на опреснительную установку.

«Это научно элегантное решение сложной проблемы», - сказал Дубравски. «Его необходимо протестировать в масштабе, и он не решает проблему использования «синей» энергии в глобальном масштабе - рек, впадающих в океан, - но это хорошая отправная точка, которая может стимулировать эти достижения».

Чтобы оценить полный потенциал батареи на городских станциях очистки сточных вод, исследователи работают над уменьшенной версией, чтобы увидеть, как система работает с несколькими батареями, работающими одновременно.

Источник: Meng Ye, Mauro Pasta, Xing Xie, Kristian L. Dubrawski, Jianqaio Xu, Chong Liu, Yi Cui, Craig S. Criddle. Charge-Free Mixing Entropy Battery Enabled by Low-Cost Electrode Materials. ACS Omega, 2019; 4 (7): 11785 DOI: 10.1021/acsomega.9b00863