Elke inwoner van de Great Plains kan getuigen van de enorme schaal van windparken die steeds vaker op het platteland te vinden zijn. In het middenwesten en elders, windenergie is verantwoordelijk voor een steeds groter deel van de Amerikaanse energieproductie:in het afgelopen decennium $ 143 miljard werd geïnvesteerd in nieuwe windprojecten, volgens de American Wind Energy Association.

Echter, de hausse in windenergie staat voor een hindernis - hoe energie die door turbines wordt gegenereerd effectief en goedkoop op te slaan wanneer de wind waait, maar de energiebehoefte is laag.

"We krijgen 's nachts veel wind, meer dan overdag, maar de vraag naar elektriciteit is 's nachts lager, dus, ze dumpen het of ze sluiten turbines op - we verspillen elektriciteit, " zei Trung Van Nguyen, hoogleraar petroleum en chemische technologie aan de Universiteit van Kansas. "Als we dit overschot 's nachts zouden kunnen opslaan en overdag bij piekvraag kunnen verkopen of leveren, dit zou eigenaren van windmolenparken in staat stellen meer geld te verdienen en hun investering te benutten. Tegelijkertijd, je zet meer windenergie in en vermindert de vraag naar fossiele brandstoffen."

Sinds 2010, Nguyen heeft het onderzoek geleid om een ​​geavanceerde waterstof-broomstroombatterij te ontwikkelen, een geavanceerd batterijontwerp op industriële schaal - het zou ongeveer zo groot zijn als een semi-vrachtwagen - dat ingenieurs sinds de jaren zestig hebben geprobeerd te ontwikkelen. Het zou net zo goed kunnen werken om elektriciteit van zonneparken op te slaan, om 's nachts te worden ontladen als er geen zon is.

Eerst gefinancierd door de National Science Foundation en later door de Advanced Research Projects Agency-Energy, Nguyen heeft samengewerkt met onderzoekers van de Universiteit van Californië in Santa Barbara, Vanderbilt-universiteit, de Universiteit van Texas in Arlington en Case Western Reserve University. Onderweg, Nguyen heeft toezicht gehouden op baanbrekend werk aan belangrijke componenten van het ontwerp van waterstof-broombatterijen.

Voor een, daar is de elektrode die Nguyen aan de KU heeft ontwikkeld. De elektrode van een batterij is waar de elektrische stroom de batterij binnenkomt of verlaat wanneer deze is ontladen. Om maximaal efficiënt te zijn, een elektrode heeft veel oppervlakte nodig. Het team van Nguyen heeft een koolstofelektrode met een hoger oppervlak ontwikkeld door koolstofnanobuisjes direct op de koolstofvezels van een poreuze elektrode te laten groeien.

"Vóór ons werk, mensen gebruikten papier-koolstofelektroden en moesten elektroden op elkaar stapelen om een ​​hoog vermogen te genereren, " zei hij. "De elektroden moesten een stuk dikker en duurder zijn omdat je meerdere lagen moest gebruiken - ze waren omvangrijker en resistenter. We kwamen met een eenvoudig maar nieuw idee om minuscule koolstofnanobuisjes direct bovenop koolstofvezels in elektroden te laten groeien - zoals kleine haartjes - en we hebben het oppervlak met 50-70 keer vergroot. We hebben de hoge oppervlaktevereiste voor waterstof-broom batterij-elektroden opgelost."

Een belangrijk probleem dat nog moet worden opgelost voordat een waterstofbromide-batterij met succes op de markt kan worden gebracht, is de ontwikkeling van een effectieve katalysator om de reacties aan de waterstofzijde van de batterij te versnellen en een hogere output te leveren terwijl de extreme corrosie in het systeem wordt overleefd. Nutsvoorzieningen, met financiering van een NSF-subprijs via een particulier bedrijf genaamd Proton OnSite, Nguyen staat op het punt om deze laatste barrière op te lossen.

"Ik denk dat we op de rand van een echte doorbraak staan, " zei hij. "We hebben een duurzame katalysator nodig, iets dat dezelfde activiteit heeft als de beste katalysator die er is, maar dat kan deze omgeving overleven. Ons vorige materiaal had niet voldoende oppervlak om voldoende vermogen te leveren. Maar ik heb kunnen blijven werken aan deze rhodiumsulfidekatalysator. Ik denk dat we een manier hebben gevonden om de oppervlakte te vergroten. We hebben nu een betere manier, en we kunnen dat over drie tot zes maanden publiceren - we moeten enkele kleine problemen oplossen, maar ik denk dat we een geschikt materiaal hebben voor de waterstofreactie in dit systeem."

De nieuwe resultaten voor de ontwikkeling van een geavanceerde waterstof-broomstroombatterij op industriële schaal zullen in mei worden gepresenteerd op de bijeenkomst van de Electrochemical Society in Seattle.

Inderdaad, Nguyen - die tijdens zijn onderzoekscarrière verschillende startende bedrijven heeft opgericht - merkte op dat de nieuwe waterstof-broombatterij binnenkort op de markt zou kunnen worden gebracht, en gemakkelijk kan worden opgeschaald naar MW (vermogen) MWh (energie) schalen, komen in modulaire containervorm, ongeveer 1MWh in een full-size container. Maar hij waarschuwde dat het alleen kon worden gebruikt in afgelegen, industrieterreinen - plaatsen zoals wind- en zonneparken, waar de enorme batterijen waarschijnlijk ondergronds zouden worden begraven.

"Dit energieopslagsysteem, vanwege zijn corrosiviteit, is niet geschikt voor residentiële of commerciële systemen, " zei hij. "Broom is als chloorgas. Graaf een gat, bekleed het met cement of plastic, drop this battery down and cover it up—it should be in an enclosed or sealed system to prevent leakage or emission of bromine gas. This will be suitable only for large-scale remote energy storage like solar farms and wind farms."

The KU researcher said the rise of renewable energy would depend on technology breakthroughs that make the economics attractive to energy producers and investors, and he hoped his new battery design could play a part.

"The way we use fossil fuel for energy is very inefficient, wasteful and generates greenhouse gasses, " Nguyen said. "For fossil fuels, you make the initial investment, and also you pay for operation every day—pay for coal or for natural gas for rest of the life of the power plant. Once you make the initial investment in renewable, the electricity you make is free."