О новой технологии батареи сообщают в работе, опубликованной по своей природе 9 января. В соответствии с ОТКРЫТОЙ программой 2012 года, команда Гарварда получила финансирование из энергии управления перспективных исследований американского Министерства энергетики (ARPA-E), чтобы разработать инновационную батарею масштаба сетки и планы работать с ARPA-E, чтобы катализировать далее технологический и прорывы рынка за следующие несколько лет.
Бумага сообщает о батарее потока без металла, которая полагается на электрохимию естественно богатых, недорогих, маленьких органических (основанных на углероде) молекул, названных хинонами, которые подобны молекулам, которые хранят энергию в растениях и животных.Несоответствие между доступностью неустойчивого ветра или солнечного света и изменчивостью требования – самое большое препятствие получению большой части нашего электричества из возобновляемых источников. Рентабельное средство хранения больших сумм электроэнергии могло решить эту проблему.Батарея была разработана, построена и проверена в лаборатории Майкла Дж.
Азиза, Джина и профессора Трейси Сайкс Materials и Энергетических технологий в Школе Гарварда Технических и прикладных наук (МОРЯ). Рой Г. Гордон, профессор Томаса Дадли Кэбота Химии и профессор Материаловедения, привел работу над синтезом и химическим показом молекул.
Алан Аспуру-Гузик, профессор Химии и Химической Биологии, использовал свою новаторскую высокую пропускную способность молекулярные методы проверки, чтобы вычислить свойства больше чем 10 000 молекул хинона в поисках лучших кандидатов на батарею.Батареи потока аккумулируют энергию в химических жидкостях, содержавшихся в подвесных топливных баках – как с топливными элементами – вместо в самом контейнере батареи. Два главных компонента – электрохимические конверсионные аппаратные средства, через которые текутся жидкости (который устанавливает способность пиковой мощности), и химические резервуары для хранения (которые устанавливают энергетическую способность) – могут быть независимо измерены. Таким образом сумма энергии, которая может быть сохранена, ограничена только размером баков.
Дизайн разрешает большим суммам энергии быть сохраненными по более низкой цене, чем с традиционными батареями.В отличие от этого, в батареях твердого электрода, таких как обычно находимые в автомобилях и мобильных устройствах, аппаратные средства преобразования электроэнергии и энергетическая способность упакованы вместе в одной единице и не могут быть расцеплены.
Следовательно они могут поддержать пиковую силу выброса меньше часа прежде чем быть истощенным и поэтому плохо подходят хранить неустойчивые возобновляемые источники энергии.«Наши исследования указывают, что ценность одного – двух дней хранения требуется для того, чтобы сделать солнечную и ветровую энергию dispatchable через электрическую сетку», сказал Азиз.Чтобы сохранить 50 часов энергии от ветряного двигателя мощности на 1 мегаватт (50 мегаватт-часов), например, возможное решение состояло бы в том, чтобы купить традиционные батареи с 50 мегаватт-часами аккумулирования энергии, но они шли с 50 мегаваттами мощности.
Оплата 50 мегаватт мощности, когда только 1 мегаватт необходим, имеет мало экономического смысла.Поэтому растущее число инженеров сосредоточило их внимание на технологии батареи потока. Но до сих пор, батареи потока полагались на химикаты, которые являются дорогими или трудными поддержать, завышая затраты на аккумулирование энергии.
Активные компоненты электролитов в большинстве батарей потока были металлами. Ванадий используется в наиболее коммерчески передовой технологии батареи потока теперь в развитии, но его стоимость устанавливает довольно высокий пол на стоимости в час киловатта в любом масштабе. Другие батареи потока содержат электрокатализаторы драгоценного металла, такие как платина, используемая в топливных элементах.
Новая батарея потока, разработанная командой Гарварда уже, выступает, а также ванадиевые батареи потока с химикатами, которые являются значительно менее дорогими, и без электрокатализатора драгоценного металла.«Целый мир хранения электричества использовал металлические ионы в различных государствах обвинения, но есть ограниченное число, которое Вы можете поместить в решение и использовать, чтобы сохранить энергию, и ни один из них не может экономно сохранить значительные суммы возобновляемой энергии», сказал Гордон. «С органическими молекулами мы вводим обширный новый набор возможностей.
Некоторые из них будут ужасны, и некоторые будут действительно хороши. С этими хинонами у нас есть первые тот действительно хороший взгляд».
Аспуру-Гузик отметил, что проект очень хорошо выровнен с Инициативой Генома Материалов Белого дома. «Этот проект иллюстрирует то, что могут сделать совместные действия квантовой химии высокой пропускной способности и экспериментального понимания», сказал он. «В очень быстром периоде времени, наша команда, заточенная в к правильной молекуле. Вычислительный показ, вместе с экспериментированием, может привести к открытию новых материалов во многих прикладных областях».Хиноны изобилуют сырой нефтью, а также на зеленых заводах.
Молекула, что команда Гарварда, используемая в ее первой основанной на хиноне батарее потока, почти идентична одному найденному в ревене. Хиноны расторгнуты в воде, которая препятствует тому, чтобы они загорелись.
Поддержать коммерческий ветряной двигатель, большой резервуар для хранения был бы необходим, возможно расположен в подвале ниже сорта, сказало автора co-лидерства Майкла Маршака, постдокторанта в МОРЯХ и в Отделе Химии и Химической Биологии. Или если бы у Вас была целая область турбин или крупной солнечной фермы, Вы могли бы вообразить несколько очень больших резервуаров для хранения.У той же самой технологии могли также быть заявления на потребительском уровне, сказал Маршак. «Вообразите устройство размером бака топлива для обогрева домов, сидящего в Вашем подвале. Это сохранило бы ценность дня солнечного света от солнечных батарей на крыше Вашего дома, потенциально обеспечив достаточно, чтобы привести Ваше домашнее хозяйство в действие с конца дня, в течение ночи, в следующее утро, не жгущий ископаемого топлива».
«Результаты команды Гарварда, изданные по своей природе, демонстрируют ранний, все же важный технический успех, который мог быть очень важным в содействии разработке батарей масштаба сетки», заявил директор Программы ARPA-E Джон Леммон. «Результат проектной группы – превосходный пример того, как небольшое количество каталитического финансирования из ARPA-E может помочь построить фонд, чтобы, надо надеяться, превратить научные открытия в недорогие, молодые энергетические технологии».Руководитель группы Азиз заявил, что следующие шаги в проекте должны будут далее проверить и оптимизировать систему, которая была продемонстрирована на вершине скамьи и приносит ее к коммерческому масштабу. «До сих пор мы не видели признака деградации больше чем после 100 циклов, но коммерческое применение требует тысяч циклов», сказал он.
Он также ожидает достигать существенных улучшений в основной химии системы клеточного содержания. «Я думаю химия, которую мы имеем, прямо сейчас могло бы быть лучшим, это там для постоянного хранения и вполне возможно достаточно дешево, чтобы сделать ее на рынке», сказал он. «Но у нас есть идеи, которые могли привести к огромным улучшениям».К концу трехлетнего периода развития находящаяся в Коннектикуте Sustainable Innovations, LLC, сотрудник на проекте, ожидает развертывать демонстрационные версии органической батареи потока, содержавшейся в единице размер трейлера для перевозки лошадей. Портативная, увеличенная система хранения могла быть зацеплена до солнечных батарей на крыше коммерческого здания, и электричество от солнечных батарей могло или непосредственно удовлетворить нужды здания или войти в хранение и выйти из хранения, когда есть потребность. Стабильные Инновации ожидают играть ключевую роль в коммерциализации продукта, усиливая ее сверхнизкую стоимость электрохимический дизайн клетки и системная архитектура, уже разрабатываемая для приложений аккумулирования энергии.
«Вы могли теоретически поместить это на любой узел на сетке», сказал Азиз. «Если рыночная цена колеблется достаточно, Вы могли бы поместить устройство хранения данных там и купить электричество, чтобы сохранить его, когда цена низкая, и затем продайте его назад, когда цена высока. Кроме того, Вы могли бы быть в состоянии избежать проблем разрешения и газоснабжения необходимости построить газовую электростанцию только, чтобы удовлетворить случайные потребности растущего максимального спроса».
Эта технология могла также предоставить очень полезную резервную копию для солнечных батарей крыши вне сетки – важное преимущество, полагая, что приблизительно у 20 процентов населения в мире нет доступа к сети распределения электроэнергии.Уильям Хогэн, профессор Рэймонда Плэнка Глобальной Энергетической политики в Гарвардской Школе Кеннеди, и один из передовых экспертов в мире по рынкам электроэнергии, помогает команде исследовать экономические драйверы для технологии.Трент М. Молтер, президент и генеральный директор Sustainable Innovations, LLC, обеспечивает экспертные знания в области осуществления технологии команды Гарварда в коммерческие электрохимические системы.«Неустойчивая проблема хранения возобновляемых источников энергии – самый большой барьер для получения большей части нашей власти от солнца и ветра», сказал Азиз. «Безопасная и экономичная батарея потока могла играть огромную роль в нашем переходе от ископаемого топлива к возобновляемому электричеству.
Я взволнован, что у нас есть хороший выстрел в него».В дополнение к Азизу, Маршаку, Аспуру-Гузику и Гордону, автором co-лидерства статьи Природы был Брайан Хускинсон, аспирант с Азизом; среди соавторов был научный сотрудник Чангвон Су и постдокторский исследователь Сулейман Эр в группе Аспуру-Гузика; Майкл Герхардт, аспирант с Азизом; Купер Гэльвин, студент Помона-Колледжа; и Ксудонг Чен, постдокторант в группе Гордона.
Эта работа была поддержана частично энергией агентства Проекта Перспективного исследования американского Министерства энергетики (ARPA-E), Школой Гарварда Технических и прикладных наук, Национальным научным фондом (NSF) Чрезвычайная Наука и Техническая Окружающая среда Открытия (OCI-1053575), Научное сотрудничество Выпускника NSF и Товарищества для Молодой энергетической программы Ученых Фонда для Фундаментального Исследования в области Вопроса, который является частью Организации Нидерландов по Научному исследованию (NWO).