Onderzoekers van Penn State kijken naar innovatieve manieren om energieopslag te verbeteren in een poging om hernieuwbare energietechnologieën beter te benutten.

"Een van de belangrijkste obstakels die ons ervan weerhouden zwaar te leunen op hernieuwbare energiesystemen, is dat we niet kunnen reguleren wanneer ze ons van stroom voorzien. " zei Derek Hall, assistent-professor energietechniek aan Penn State. "Ideaal, we willen een soort energieopslagtechnologie vinden die hernieuwbare energiebronnen kan aanvullen om ons te helpen bij de overgang naar een duurzamere energie-infrastructuur."

Hernieuwbare energiesystemen, zoals wind en zon, genoeg elektriciteit kunnen produceren om hele gemeenschappen van stroom te voorzien. Echter, ze vertrouwen op natuurlijke processen om de benodigde elektriciteit te produceren, en de natuur kan onvoorspelbaar zijn. Dit resulteert in eb en vloed in de opwekking van duurzame elektriciteit. Soms, wind en zon kunnen meer produceren dan het net aankan, waardoor de elektriciteitsprijzen negatief worden. Alternatief, als de wind stopt of er een periode van slecht weer is, de productie stopt en de prijzen schieten omhoog.

Dit fenomeen inspireerde Hall om meer kosteneffectieve, strategieën voor energieopslag door middel van meerdere gezamenlijke onderzoeksprojecten bij Penn State.

Verbetering van de batterijchemie

Hal, samen met Christopher Gorski, universitair hoofddocent milieutechniek, en Serguei Lvov, hoogleraar energie- en minerale engineering en materiaalwetenschappen en engineering en directeur van het Electrochemical Technologies-programma aan het EMS Energy Institute, gebruiken ligandchemie om de elektrochemische prestaties van goedkopere batterijchemie te verbeteren, dankzij een subsidie ​​van het Institute of Energy and the Environment (IEE) en het Materials Research Institute.

"Het doel is om te proberen goedkopere materialen te vinden om batterijen van te maken, Hall zei. "De belangrijkste hindernis die ons tegenhoudt, is dat de meeste goedkope materialen een kleine energieopslagdichtheid hebben, wat leidt tot slechte batterijprestaties."

Liganden zijn ionen of moleculen die binden aan een centraal metaal. Ze worden vaak gebruikt in de natuur en in biomimetische processen om de metaalreactiviteit te veranderen, maar ze zijn nog niet eerder gebruikt in flowbatterijen. De onderzoekers gebruiken materialen als koper, ijzer en chroom, die goedkoper zijn dan traditionele materialen zoals lithium, kobalt en vanadium, en ze te koppelen aan liganden in een poging om de kapitaalkosten die gepaard gaan met het produceren van batterijen aanzienlijk te verminderen.

Het team zal vervolgens experimenten uitvoeren om te bepalen of de metaal-ligandcomplexen hoge energieopslagdichtheden bereiken. Dit doen ze in drie stappen:thermodynamisch, kinetisch, en volledige celtesten. Bij elke stap, verschillende belangrijke parameters zullen worden getest voor een typische redox flow-batterij. De thermodynamische fase zal onderzoeken hoe de liganden de elektrodepotentiaal beïnvloeden, dan zal de kinetische fase testen hoeveel elektrische stroom kan worden benut. Eindelijk, de onderzoekers zullen alle componenten samen testen om te zien hoe ze samenwerken.

"Veel delen van dit verhaal ontbreken nog, dus dit zal grotendeels een fundamenteel onderzoeksproject zijn, " zei Hall. "Er is geen echte uniforme theorie die uitlegt hoe liganden elektrochemische reacties beïnvloeden."

De onderzoekers hopen dat dit project, getiteld "New Low-Cost Flow Battery Chemistries via Ligand-Enhanced Redox Reactions, " zal voorlopige resultaten opleveren die nodig zijn om grotere subsidies na te streven die gericht zijn op de ontwikkeling van nieuwe stroombatterijchemie en fundamentele inzichten verwerven in waarom en hoe liganden de reactiviteiten van metaalcomplexen veranderen.

"We moeten beginnen met het verkennen van al onze opties voor energieopslag, omdat het overschakelen van onze infrastructuur naar hernieuwbare energiebronnen een grote overgang is die tijdgevoelig is, " zei Hall. "Toen we onze infrastructuur voor fossiele brandstoffen bouwden, dat hebben we gedurende vele decennia gedaan. Nu moeten we uitzoeken wat de beste keuzes zijn, of meest functionele keuzes, zijn, en bouw er dan heel snel heel veel van."

Restwarmte omzetten in stroom

Hall werkt ook samen met Bruce Logan, hoogleraar milieutechniek, en Matthew Rau, universitair docent werktuigbouwkunde, op onderzoek dat wordt gefinancierd via een andere seed-subsidie ​​​​die de prestaties en het vermogen van flow-batterijen wil verbeteren die worden opgeladen met afvalwarmte in plaats van elektriciteit.

"Als we een manier zouden kunnen vinden om restwarmte om te zetten in elektriciteit, ook al is het een klein bedrag op aanvraag, dit kan helpen onze behoefte aan meer elektriciteitsopwekking te verminderen, ' zei Hal.

Net als bij het andere project van Hall, dit team gebruikt een soort stroombatterijtechnologie, maar met een unieke thermische oplaadmethode. Het project, getiteld "Toenemende vermogensdichtheid en cyclusefficiëntie van roman, Thermisch geladen stroombatterijen met behulp van geavanceerde stroomceltopologieën, " zullen proberen de vermogensdichtheid te verbeteren door middel van onderscheidende batterijstroomveldontwerpen. Ze zullen dit doen door computationele modellering met behulp van COMSOL Multiphysics-software.

"De technologie waar we aan werken, maakt gebruik van een specifieke chemische samenstelling waarbij je de chemische reactie kunt opladen met restwarmte in plaats van elektriciteit. ’ zei Rau.

In een traditionele batterij, een chemische reactie creëert het ontladingspotentieel, elektriciteit opwekken. Wanneer het proces wordt omgekeerd om de batterij op te laden, Hiervoor moet een deel van de elektriciteit worden gebruikt. Voor deze nieuwe technologie de onderzoekers zullen de batterij opladen door twee chemicaliën te scheiden met behulp van restwarmte. Wanneer die chemicaliën weer worden gecombineerd, ze zullen een chemische reactie creëren die elektriciteit opwekt, waardoor het niet meer nodig is om extra elektriciteit te gebruiken om de batterij op te laden.

"Dit zou een concurrerende technologie zijn voor de traditionele methoden voor energieopslag, zoals lithium-ionbatterijen, maar uniek in het feit dat het geen elektriciteit nodig heeft, " zei Rau. "Er is warmte nodig om op te laden, dus we openen in wezen een nieuwe bron die mogelijk industriële processen of een deel van het elektriciteitsnet kan aandrijven."

Het basisidee bestaat al ongeveer vijf jaar, Rau zei, maar de onderzoekers willen de prestaties van het basismodel verbeteren, zodat het commercieel levensvatbaar kan worden.

"Het ontwikkelen van deze technologie zal niet eenvoudig zijn, " zei hij. "Deze batterijen stromen elektrolyten door poreuze elektroden. De vloeistofstroom alleen is al ingewikkeld genoeg om te modelleren zonder zelfs maar rekening te houden met de chemische reacties die ook plaatsvinden. We ontwikkelen de expertise om nauwkeurig te modelleren hoe de vloeistofstroom in deze batterijen de verschillende chemische reacties beïnvloedt en uiteindelijk hoe deze parameters zich verhouden tot het batterijvermogen."

De onderzoekers hopen dat de voorbereidende experimenten die voorafgaand aan het starten van dit onderzoek zijn gedaan, hen de tools hebben gegeven die nodig zijn voor succes.

"We hebben momenteel weinig gebruik van restwarmte in de industrie en bij de energieopwekking, " zei Rau. "Het wordt gewoon weggegooid met het koelwater of in de atmosfeer gespuwd in een uitlaatpijp. Als we die afvalwarmte daadwerkelijk kunnen benutten, we zullen de energie-efficiëntie van veel verschillende industrieën verhogen."

Deze projecten illustreren de noodzaak om grootschalige, technologieën voor energieopslag die goed passen bij technologieën voor hernieuwbare energie, zei Hall.

"Er zal niet één oplossing zijn die zomaar wint, " voegde hij eraan toe. "Het zal waarschijnlijk een mix zijn. Het is een soort van alle hens aan dek situatie. We weten echt niet welke zal werken of wanneer het nodig zal zijn, dus ik denk dat het verkennen van meerdere opties de beste manier is om vooruit te komen."