Соль - это сила. Это может звучать как алхимия, но энергия в местах, где смешиваются соленая вода океана и пресная вода, может стать мощным источником возобновляемой энергии. Исследователи из Стэнфорда разработали доступную и долговечную технологию, которая может использовать эту так называемую голубую энергию.
В статье, недавно опубликованной в журнале ACS Omega Американского химического общества, описывается батарея и предлагается использовать ее, чтобы сделать прибрежные очистные сооружения энергонезависимыми.
«Голубая энергия - это огромный и неиспользованный источник возобновляемой энергии», - сказал соавтор исследования Кристиан Дубравски, ученый с докторской степенью в области гражданского и экологического строительства в Стэнфорде. «Наша батарея - это важный шаг к практическому захвату этой энергии без мембран, движущихся частей или ввода энергии».
Дубравски работает в лаборатории соавтора исследования Крейга Криддла, профессора гражданской и экологической инженерии, известного междисциплинарными полевыми проектами энергоэффективных технологий. Идея разработки батареи, которая использует градиенты соли, возникла у соавторов исследования И Цуй, профессора материаловедения и инженерии, и Мауро Паста, доктора наук в области материаловедения и инженерии во время исследования. Применение этой концепции к прибрежным очистным сооружениям стало идеей Криддла, основанной на его многолетнем опыте разработки технологий очистки сточных вод.
Исследователи протестировали прототип батареи, отслеживая выработку энергии, промывая ее чередующимся ежечасным обменом сточными водами с регионального завода по контролю качества воды в Пало-Альто и морской водой, собираемой неподалеку от залива Полумесяца. В течение 180 циклов материалы аккумуляторов сохраняли 97-процентную эффективность в улавливании энергии градиента солености.
Эта технология может работать в любом месте, где смешиваются пресная и соленая вода, но очистные сооружения представляют собой особенно ценный пример. Очистка сточных вод является энергоемкой, на ее долю приходится около трех процентов от общей электрической нагрузки в США. Этот процесс, необходимый для здоровья населения, также уязвим для отключений электросетей. Обеспечение энергетической независимости очистных сооружений не только сократит потребление электроэнергии и выбросы, но и сделает их невосприимчивыми к отключениям электроэнергии, что является важным преимуществом в таких местах, как Калифорния, где недавние лесные пожары привели к крупномасштабным отключениям.
Гидроэнергетика
Каждый кубический метр пресной воды, смешанной с морской, производит около 0,65 киловатт-часа энергии - этого достаточно для питания среднего американского дома примерно на 30 минут. В глобальном масштабе теоретически извлекаемая энергия прибрежных очистных сооружений составляет около 18 гигаватт - этого достаточно для питания более 1700 домов в течение года.
Батарейка Стэнфордской группы - не первая технология, добившаяся успеха в захвате синей энергии, но это первая технология, в которой вместо давления или мембран используется электрохимия батареи. Если она будет работать в масштабе, технология предложит более простое, надежное и экономичное решение.
В процессе сначала ионы натрия и хлорида высвобождаются из электродов батареи в раствор, заставляя ток течь от одного электрода к другому. Затем быстрый обмен сточных вод с морской водой приводит к повторному включению в электрод ионов натрия и хлорида и обратному протеканию тока. Энергия восстанавливается во время промывки как пресной, так и морской водой, без предварительных вложений в энергию и без необходимости зарядки. Это означает, что батарея постоянно разряжается и перезаряжается без каких-либо затрат энергии.
Надежная и доступная технология
Хотя лабораторные испытания показали, что выходная мощность по-прежнему низка в расчете на площадь электрода, потенциал увеличения масштаба батареи считается более реальным, чем у предыдущих технологий, из-за его небольшой площади, простоты, постоянного создания энергии и отсутствия мембран или инструментов для контроля. заряд и напряжение. Электроды изготовлены из берлинской лазури, материала, широко используемого в качестве пигмента и лекарства, который стоит менее 1 доллара за килограмм, и полипиррола, материала, экспериментально используемого в батареях и других устройствах, который продается оптом менее чем за 3 доллара за килограмм.
Также нет необходимости в резервных батареях, так как материалы относительно прочные, покрытие из поливинилового спирта и сульфоянтарной кислоты защищает электроды от коррозии и в нем нет движущихся частей. В расширенном масштабе технология может обеспечить адекватное напряжение и ток для любой прибрежной очистной станции. Избыточное производство электроэнергии можно было бы даже перенаправить на близлежащие промышленные объекты, например, на опреснительную установку.
«Это элегантное с научной точки зрения решение сложной проблемы», - сказал Дубравски. «Его необходимо протестировать в масштабе, и он не решает проблему использования голубой энергии в глобальном масштабе - рек, впадающих в океан, - но это хорошая отправная точка, которая может стимулировать эти достижения."
Чтобы оценить весь потенциал батареи в муниципальных очистных сооружениях, исследователи работают над масштабированной версией, чтобы увидеть, как система работает с несколькими батареями, работающими одновременно.