Zespół naukowców i inżynierów z Harvardu niedawno przedstawił akumulator, który może zmienić kierunek produkcji magazynów energii ze źródeł odnawialnych na bardziej ekologiczny. Ponadto  przechowywanie energii dzięki nowemu odkryciu może stać się bardziej bezpieczne i opłacalne zarówno dla zastosowań komercyjnych i prywatnych. Przeprowadzone ostatnio badania były kontynuacją wcześniejszej pracy zespołu, wskazują one na realne szanse na tańsze i bardziej niezawodne przechowywanie energii elektrycznej z instalacji takich jak PV czy elektrownie wiatrowe.

Reklama

Problem z dostosowaniem produkcji energii przez elektrownie słoneczne i wiatrowe do aktualnego zapotrzebowania energetycznego oraz zmienności popytu jest powszechny. Uniemożliwia ponadto osiągnięcie znacznego pokrycia potrzeb energetycznych ze źródeł odnawialnych. Spowodował on konieczność opracowania sprawnego systemu, który byłby w stanie przechowywać duże ilości tak produkowanej energii elektrycznej, który umożliwiałby zaspokajanie popytu w czasie, kiedy elektrownie OZE nie pracują – podczas pochmurnych i bezwietrznych dni. Obecne systemy nie są opłacalne przez zbyt szybki spadek sprawności lub wysokie koszty inwestycji.

Proponowane przez badaczy akumulatory, podczas swojej pracy, gromadzą elektrony, a następnie uwalniają je poprzez związki składające się z rozpuszczonych w wodzie pierwiastków powszechnie występujących w naturze, tj. węgiel, tlen, azot, wodór, żelazo i potas. Związki te są nietoksyczne, niepalne oraz szeroko dostępne, przez co są bezpieczniejsze i tańsze niż te stosowane w przypadku innych układów baterii. Stwarza to zatem możliwość wykorzystania ich przez właścicieli przydomowych mikroelektrowni.

Zespół odkrywców z Uniwersytetu Harvarda składa się z doktora Michaela Marshaka, absolwenta Kaixiang Lin, profesora Roya Gordona oraz profesora Thomasa Dudley Cabota. Połączyli oni barwnik organiczny z tanim dodatkiem do żywności w celu zwiększenia napięcia akumulatora o około 50 proc. w porównaniu do poprzednio stosowanych materiałów. W wyniku tego uzyskali wysokowydajny, niepalny, nietoksyczny i niekorozyjny akumulator przepływowy. Od baterii składających się ze stałych elektrod różnią się tym, że aby zapewnić przepływ energii w magazynie należy przechowywać ciecz w pobliżu, w zbiornikach zewnętrznych, które przypominają ogniwa paliwowe. Wspomniane zbiorniki są niezwykle istotne dla całego procesu magazynowania energii. Mogą one być dobierane niezależnie od wykorzystywanego źródła, to one określają szczytową moc możliwą do osiągnięcia. Ponieważ ilość energii, która może być przechowywana, ograniczona jest jedynie pojemnością zbiornika, większa ilość energii może być przechowywana z zachowaniem niższych kosztów niż ma to miejsce w przypadku tradycyjnych układów baterii.

Aktywne składniki elektrolitów w większości konstrukcji akumulatorów przepływowych to jony takich metali jak wanad, które rozpuszczane są w kwasie. Metale te często są drogie, trudne w obróbce chemicznej i kinetycznie ospałe, co prowadzi do zmniejszenia efektywności magazynu. W ubiegłym roku, Aziz i jego koledzy z Harvardu wykazali, że zamiana w akumulatorze przepływowym powszechnie stosowanych metali na organiczne cząsteczki zwane chinonami znacznie wpływa na wydajność procesu magazynowania energii. Chinony to związki chemiczne naturalnie występujące w przyrodzie, które są integralną częścią procesów biologicznych, takich jak fotosynteza i oddychanie komórkowe.

Chinony tworzą w roztworze cząstki ujemne – elektrony, natomiast za cząstki dodatnie odpowiada konwencjonalnie stosowany w magazynach energii brom. Wysoka wydajność i niskie koszty technologii z Harvardu posiada potencjał, aby została wykorzystana w komercyjnej skali. Jednak toksyczność bromu i jego niestabilność sprawiają, że jest to odpowiednie rozwiązanie jedynie w przypadkach, kiedy wyszkoleni specjaliści zapewniają bezpieczeństwo układu, co niekoniecznie byłoby możliwe poza laboratorium. Stąd wyniknęły dalsze poszukiwania zespołu, które miały na celu znalezienie odpowiedniego materiału zastępczego umożliwiającego porównywalne zalety magazynu. Nowy materiał miałby być bezpieczny dla zastosowań w domach oraz przedsiębiorstwach, który jednocześnie zapewniałby tanią produkcję, trwałość oraz podobną wydajność akumulatora. Ich nowy produkt wykorzystuje zamiast bromu nietoksyczny i nie powodujący korozji związek o nazwie żelazocyjanek.

Cyjanek kojarzy się z dawniej używaną trucizną, ma własności uśmiercające, ponieważ bardzo mocno wiąże się z żelazem w organizmie. Z uwagi na to, że żelazocyjanek ma już w składzie żelazo, jest całkowicie bezpieczny. Co więcej, jest to związek stosowany jako dodatek do żywności, a także jako nawóz. Ponieważ żelazocyjanek jest bardziej rozpuszczalny i stabilny w środowisku zasadowym niż kwaśnym, zespół Harvard połączył go z chinonami, które również są rozpuszczalne i trwałe w warunkach zasadowych. Roztwór zasadowy jest o tyle korzystny, że nie ma właściwości żrących. W związku z tym istnieje możliwość zastosowania w budowie akumulatora tańszych materiałów, takich jak tworzywa sztuczne.

Zapotrzebowanie na magazyny energii jest duże z powodu niedopasowania krzywej produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do zapotrzebowania. Jednak z drugiej strony istnieje system rozliczenia netto, który umożliwia oddawanie nadprodukcji do sieci i późniejszego odbioru tej energii na potrzeby własne, co powoduje oszczędności w rachunkach za prąd. Jednak istnieją takie kraje i części świata, gdzie występuje konieczność przechowywania energii wytworzonej w domowych elektrowniach, aby nie została ona zmarnowana, gdyż nie ma tam dostępu do sieci, to głównie ze względu na tę sytuację naukowcy widzą ogromny potencjał na rynku OZE dla swoich magazynów.