清潔能源的更清潔儲存

pythontab發表於2013-01-04

像風能、太陽能這樣的可再生能源方案是按自然時間表運作的。陽光燦爛,微風拂面之時,電能便極其豐富——但是當消費者真正需要電能的時候,比如在燥熱無風的夏日夜晚,靠風能太陽能發電就是痴人說夢了。

如何儲存這些非連續能源產生的能量引起了人們強大興趣,但是應用經濟學和基礎化學卻限制了綠色能源的更廣泛應用。可行的蓄電方案不能把再生電的價格抬的太高,否則再生電就會昂貴的讓之望塵莫及。化石燃料由於成本相對低廉,仍然是世界上主要能量來源。

為了讓新能源博得一席之地,哈佛大學的工程師和化學家所帶領的團隊將在一個為期一年,有60萬美元創新專案撥款的專案中研發一種新型蓄電池。該款項由美國能源部先進研究計劃署劃撥,為一年以上新能源的開發注資,具體取決於進展。這項獎勵是美國能源部先進研究計劃署在“OPEN 2012”專案裡1.3億美元資金投入的一部分,旨在支援創新能源技術。

這種叫做液流電池的技術以有機小分子為基礎,讓人們看到蓄電的大好前景:成本效益好,呈網狀分佈,不會損害生態環境。由於專案的核心驅動力是落實到實際應用,研究者正和Sustainable Innovations, LLC公司,一家商業電化學系統開發公司合作。

“如果電能主要是由諸如風力渦輪機和太陽能光電板這類非連續再生源產生,那麼我們就要儲存大量能量,”研究帶頭人邁克爾·阿齊茲(Michael Aziz)如是說。他是哈佛大學工程與應用科學學院材料和能源技術的Gene and Tracy


Sykes教授。“目前對於這種大規模蓄電問題,還沒有低成本的解決方案。有了液流電池,使固定蓄電或許會在市場中成為可能,那將使風能和太陽能代替更多化石燃料。”

液流電池是一種高效能可再充電的燃料電池,適合儲存大量電能,內部化學物質以液體形式存在,流過電化學轉化硬體,儲存於廉價的、任意大的容器表面。這使得設計者自主決定電化學轉化硬體(決定峰值功率容量)和化工儲罐(決定能量容量)的大小。

相比之下,在固態電極電池中,比如汽車和移動裝置中常見的那類,能量轉化硬體和能量容量處在同一裝置中,不能解耦。這樣它們能在電耗光之前只能保持不到一小時的峰值放電功率。研究表明把風能和太陽能這類新能源在目前的電網中放光需要1到2天(一晝一夜為一天) 。

例如,要儲存一個一兆瓦的風力渦輪機在50小時內所生成的能量(50兆瓦時),一種可行的解決方案是買一個50兆瓦時能量儲存的固體電極電池。然而只需要1兆瓦能量卻要花錢買功率容量為50兆瓦的電池,太不划算了吧?

阿齊茲說,“不光是現有的固態電池用於儲存非連續風能和太陽能不切實際,現在正在發展中的液流電池也有一定限制。在液流電池中用於儲存的化學物質不是價格昂貴就是難以儲存。”

例如,釩氧化還原液流電池——最受矚目的一種化學電池——因為釩價格高昂,使得每千瓦時的儲存成本很高,限制了商業性峰值儲備。鈉硫電池執行時內部成分成熔融狀態,要求容器耐高溫。高昂的成本和複雜的蓄電過程限制了鈉硫電池的應用。

阿齊茲認為使用某種特定有機小分子是關鍵。他的團隊已經致力的這些小分子可以在植物中找到,可以以極低的價格人工合成。無毒,室溫下即可儲存。此外,它們可以在存能所需的化學狀態中高效迴圈。

阿齊茲作為材料學專家和高效液流電池的開發者,他把精力集中在分子和電極電化學以及液流電池發展上。化學Thomas Dudley Cabot教授,同時也是材料學教授的羅伊·戈登(Roy Gordon)會加入他,負責化學篩選以及分子和實際電催化和防護塗料的合成。Alán Aspuru-Guzik是化學和化學生物學系的副教授,他將用其首創的高效的分子篩選方法對最優分子進行鑑定。Trent M. Molter,Sustainable Innovations, LLC公司的董事長和執行長將提供把這些創新用於商業電化學系統的專業知識

阿齊茲說,“我們認為自己特定的方法相比其他液流電池更有優勢,如更高功率密度,更高效,化學物質更低廉,蓄電更安全。這個專案一旦成功,像風能太陽能這類非連續新能源就可以任意釋放能量,使得這類能源可以滿足更大的電力需求。”

阿齊茲預測,在房頂配有太陽能板的房屋地下室或咖啡館使用的用於蓄電的新一代液流電池,更大程度上,可以直接併入風場和太陽場。這項技術在邊遠地區太陽能儲存方面甚至可以超過鉛酸蓄電池,而無需接入電網。

“儘管液流電池蓄電並未讓人停止使用化石能源,在現存的能源系統和市場中,液流電池卻可能消除障礙,讓人不再使用化石能源。”阿齊茲說,“光靠最好的工程和化學不足以解決能源危機。和當前基礎設施相相容幾乎一直都很重要,經濟可行性也很重要。液流電池可能在我們從化石燃料向新能源轉化過程中扮演重要角色,哈佛大學能有這樣一個機會開發潛在的力挽狂瀾的儲存裝置,我表示很激動。”


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