Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Elektronik

Forskere udvikler teknologi til at udnytte energi fra blanding af ferskvand og havvand

Hyperion Water Reclamation Plant på Santa Monica Bay i Los Angeles er et eksempel på en kystnær spildevandsbehandling, der potentielt kan genvinde energi fra blandingen af ​​havvand og renset spildevand. Kredit:Doc Searls / Flickr

Salt er magt. Det lyder måske som alkymi, men energien på steder, hvor salt havvand og ferskvand blandes, kunne give en massiv kilde til vedvarende energi. Stanford-forskere har udviklet en overkommelig, holdbar teknologi, der kunne udnytte denne såkaldte blå energi.

Papiret, for nylig offentliggjort i American Chemical Society's ACS Omega , beskriver batteriet og foreslår at bruge det til at gøre kystrensningsanlæg energiuafhængige.

"Blå energi er en enorm og uudnyttet kilde til vedvarende energi, " sagde studiemedforfatter Kristian Dubrawski, en postdoc i civil- og miljøteknik ved Stanford. "Vores batteri er et stort skridt hen imod praktisk talt at fange den energi uden membraner, bevægelige dele eller energitilførsel."

Dubrawski arbejder i laboratoriet hos studiemedforfatter Craig Criddle, en professor i civil- og miljøteknik kendt for tværfaglige feltprojekter af energieffektive teknologier. Ideen om at udvikle et batteri, der udnytter saltgradienter, opstod hos studiemedforfatterne Yi Cui, professor i materialevidenskab og teknik, og Mauro Pasta, en postdoc i materialevidenskab og teknik på forskningstidspunktet. At anvende dette koncept på kystnære spildevandsrensningsanlæg var Criddles twist, affødt af hans lange erfaring med udvikling af teknologier til spildevandsrensning.

Forskerne testede en prototype af batteriet, overvåger sin energiproduktion, mens den skylles ud med skiftende timelige udvekslinger af spildevandsspildevand fra Palo Alto Regional Water Quality Control Plant og havvand opsamlet i nærheden fra Half Moon Bay. Over 180 cyklusser, batterimaterialer opretholdt 97 procent effektivitet til at fange saltholdighedsgradientenergien.

Teknologien kunne fungere ethvert sted, hvor ferskvand og saltvand blandes, men spildevandsrensningsanlæg tilbyder et særligt værdifuldt casestudie. Spildevandsrensning er energikrævende, tegner sig for omkring tre procent af den samlede amerikanske elektriske belastning. Processen - afgørende for samfundets sundhed - er også sårbar over for nedlukninger af elnettet. At gøre spildevandsrensningsanlæg energiuafhængige ville ikke kun reducere elforbrug og emissioner, men også gøre dem immune over for strømafbrydelser - en stor fordel i steder som Californien, hvor de seneste naturbrande har ført til storstilede udfald.

Vandkraft

Hver kubikmeter ferskvand, der blandes med havvand, producerer omkring 0,65 kilowatt-timers energi - nok til at drive det gennemsnitlige amerikanske hus i omkring 30 minutter. Globalt, den teoretisk genvindelige energi fra kystnære spildevandsrensningsanlæg er omkring 18 gigawatt - nok til at forsyne mere end 1, 700 boliger i et år.

Stanford-gruppens batteri er ikke den første teknologi, der har succes med at fange blå energi, men det er den første, der bruger batterielektrokemi i stedet for tryk eller membraner. Hvis det virker i skala, teknologien ville tilbyde en mere enkel, robust og omkostningseffektiv løsning.

Processen frigiver først natrium- og chloridioner fra batterielektroderne til opløsningen, får strømmen til at flyde fra den ene elektrode til den anden. Derefter, en hurtig udveksling af spildevandsspildevand med havvand får elektroden til at geninkorporere natrium- og chloridioner og vende strømstrømmen. Energi genvindes under både ferskvands- og havvandsskylningerne, uden forudgående energiinvestering og uden behov for opladning. Det betyder, at batteriet konstant aflades og genoplades uden behov for energitilførsel.

Holdbar og overkommelig teknologi

Mens laboratorietests viste, at strømudgangen stadig er lav pr. elektrodeområde, batteriets opskaleringspotentiale anses for mere gennemførligt end tidligere teknologier på grund af dets lille fodaftryk, enkelhed, konstant energiopbygning og mangel på membraner eller instrumenter til at styre ladning og spænding. Elektroderne er lavet med Prussian Blue, et materiale, der er meget udbredt som pigment og medicin, der koster mindre end 1 USD pr. kilogram, og polypyrrol, et materiale, der bruges eksperimentelt i batterier og andre enheder, som sælges for mindre end 3 dollars pr. kilogram i løs vægt.

Der er også lidt behov for backup-batterier, da materialerne er relativt robuste, en belægning af polyvinylalkohol og sulforavsyre beskytter elektroderne mod korrosion, og der er ingen bevægelige dele involveret. Hvis den skaleres op, teknologien kunne give tilstrækkelig spænding og strøm til ethvert kystrensningsanlæg. Overskydende elproduktion kunne endda omdirigeres til en nærliggende industrivirksomhed, såsom et afsaltningsanlæg.

"Det er en videnskabeligt elegant løsning på et komplekst problem, " sagde Dubrawski. "Det skal testes i skala, og det løser ikke udfordringen med at udnytte blå energi på global skala – floder der løber ud i havet – men det er et godt udgangspunkt, der kunne anspore disse fremskridt."

For at vurdere batteriets fulde potentiale i kommunale spildevandsanlæg, forskerne arbejder på en skaleret version for at se, hvordan systemet fungerer med flere batterier, der arbejder samtidigt.


Varme artikler