Zout is kracht. Het klinkt misschien als alchemie, maar de energie op plaatsen waar zout oceaanwater en zoet water zich vermengen, zou een enorme bron van hernieuwbare energie kunnen vormen. Stanford-onderzoekers hebben een betaalbare, duurzame technologie die deze zogenaamde blauwe energie kan benutten.

De krant, onlangs gepubliceerd in American Chemical Society's ACS Omega , beschrijft de batterij en stelt voor deze te gebruiken om afvalwaterzuiveringsinstallaties aan de kust energie-onafhankelijk te maken.

"Blauwe energie is een immense en onaangeboorde bron van hernieuwbare energie, " zei co-auteur Kristian Dubrawski, een postdoctoraal wetenschapper in civiele en milieutechniek aan Stanford. "Onze batterij is een grote stap in de richting van het praktisch opvangen van die energie zonder membranen, bewegende delen of energietoevoer."

Dubrawski werkt in het laboratorium van co-auteur Craig Criddle, een professor in civiele en milieutechniek die bekend staat om interdisciplinaire veldprojecten van energie-efficiënte technologieën. Het idee om een ​​batterij te ontwikkelen die gebruikmaakt van zoutgradiënten is ontstaan ​​met studiecoauteurs Yi Cui, een professor in materiaalkunde en techniek, en Mauro Pasta, een postdoctoraal wetenschapper in materiaalkunde en techniek op het moment van het onderzoek. Het toepassen van dat concept op afvalwaterzuiveringsinstallaties aan de kust was de draai van Criddle, geboren uit zijn lange ervaring met het ontwikkelen van technologieën voor afvalwaterzuivering.

De onderzoekers testten een prototype van de batterij, het bewaken van de energieproductie terwijl het wordt doorgespoeld met afwisselende uitwisselingen van afvalwater van de regionale waterkwaliteitscontrolefabriek van Palo Alto en zeewater dat in de buurt van Half Moon Bay wordt verzameld. Meer dan 180 cycli, batterijmaterialen behielden 97 procent effectiviteit bij het vastleggen van de zoutgradiëntenergie.

De technologie kan overal werken waar zoet en zout water zich vermengen, maar afvalwaterzuiveringsinstallaties bieden een bijzonder waardevolle case study. Afvalwaterzuivering is energie-intensief, goed voor ongeveer drie procent van de totale Amerikaanse elektrische belasting. Het proces, dat essentieel is voor de gezondheid van de gemeenschap, is ook kwetsbaar voor uitval van het elektriciteitsnet. Het energieonafhankelijk maken van afvalwaterzuiveringsinstallaties zou niet alleen het elektriciteitsverbruik en de uitstoot verminderen, maar ze ook immuun maken voor stroomuitval - een groot voordeel in plaatsen zoals Californië, waar recente bosbranden tot grootschalige uitval hebben geleid.

Waterkracht

Elke kubieke meter zoet water die zich vermengt met zeewater produceert ongeveer 0,65 kilowattuur energie - genoeg om het gemiddelde Amerikaanse huis ongeveer 30 minuten van stroom te voorzien. wereldwijd, de theoretisch winbare energie van afvalwaterzuiveringsinstallaties aan de kust is ongeveer 18 gigawatt, genoeg om meer dan 1 van stroom te voorzien. 700 woningen voor een jaar.

De batterij van de Stanford-groep is niet de eerste technologie die erin slaagt blauwe energie op te vangen, maar het is de eerste die batterij-elektrochemie gebruikt in plaats van druk of membranen. Als het op schaal werkt, de technologie zou een eenvoudiger, robuuste en kostenbesparende oplossing.

Bij het proces komen eerst natrium- en chloride-ionen vrij van de batterij-elektroden in de oplossing, waardoor de stroom van de ene elektrode naar de andere vloeit. Vervolgens, een snelle uitwisseling van afvalwater met zeewater leidt ertoe dat de elektrode natrium- en chloride-ionen opnieuw opneemt en de stroom omkeert. Bij zowel de zoet- als zeewaterspoeling wordt energie teruggewonnen, zonder voorafgaande energie-investering en zonder opladen. Dit betekent dat de batterij constant wordt ontladen en opgeladen zonder dat er energie voor nodig is.

Duurzame en betaalbare technologie

Hoewel laboratoriumtests aantoonden dat het vermogen per elektrodegebied nog steeds laag is, het opschalingspotentieel van de batterij wordt als haalbaarder beschouwd dan eerdere technologieën vanwege de kleine voetafdruk, eenvoud, constante energiecreatie en gebrek aan membranen of instrumenten om lading en spanning te regelen. De elektroden zijn gemaakt met Pruisisch blauw, een materiaal dat veel wordt gebruikt als pigment en medicijn, dat kost minder dan $ 1 per kilogram, en polypyrrool, een materiaal dat experimenteel wordt gebruikt in batterijen en andere apparaten, die in bulk voor minder dan $ 3 per kilogram wordt verkocht.

Er zijn ook weinig reservebatterijen nodig, omdat de materialen relatief robuust zijn, een coating van polyvinylalcohol en sulfobarnsteenzuur beschermt de elektroden tegen corrosie en er zijn geen bewegende delen bij betrokken. Indien opgeschaald, de technologie zou voldoende spanning en stroom kunnen leveren voor elke kustzuiveringsinstallatie. Overtollige elektriciteitsproductie kan zelfs worden omgeleid naar een nabijgelegen industriële operatie, zoals een ontziltingsinstallatie.

"Het is een wetenschappelijk elegante oplossing voor een complex probleem, "Zei Dubrawski. "Het moet op schaal worden getest, en het gaat niet in op de uitdaging om op wereldschaal blauwe energie aan te boren - rivieren die in de oceaan uitmonden - maar het is een goed startpunt dat deze vooruitgang zou kunnen stimuleren."

Om het volledige potentieel van de batterij in gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties te beoordelen, de onderzoekers werken aan een geschaalde versie om te zien hoe het systeem werkt met meerdere batterijen die tegelijkertijd werken.