Foto kredit: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto #46)

Baterai berbasis air baru dapat memberikan cara yang murah untuk menyimpan angin atau energi matahari untuk kemudian, kata para peneliti.

Baterai menyimpan energi yang dihasilkan ketika matahari bersinar dan angin bertiup sehingga dapat dimasukkan kembali ke jaringan listrik dan didistribusikan kembali ketika permintaan tinggi.

Baterai mangan-hidrogen prototipe, dilaporkan dalam alam Energi, berdiri hanya setinggi tiga inci dan menghasilkan hanya satu jam listrik 20 milliwatt, yang setara dengan tingkat energi senter LED yang menggantung pada gantungan kunci.

Meskipun output kecil prototipe, para peneliti yakin mereka dapat meningkatkan teknologi meja-top ini ke sistem kelas industri yang dapat mengisi dan mengisi ulang hingga 10,000 kali, menciptakan baterai skala grid dengan umur yang berguna juga melebihi dari dasawarsa.

Yi Cui, seorang profesor ilmu material di Stanford University dan penulis senior makalah ini, mengatakan teknologi baterai manganese-hydrogen dapat menjadi salah satu bagian yang hilang dalam teka-teki energi bangsa ini — cara untuk menyimpan energi angin atau matahari yang tak terduga sehingga dapat mengurangi kebutuhan untuk membakar bahan bakar fosil yang dapat diandalkan tetapi memancarkan karbon ketika sumber terbarukan tidak tersedia.

"Apa yang kami lakukan adalah melemparkan garam khusus ke dalam air, dijatuhkan dalam elektroda, dan menciptakan reaksi kimia yang dapat dibalikkan yang menyimpan elektron dalam bentuk gas hidrogen," kata Cui.

Kimia pintar

Wei Chen, seorang sarjana postdoctoral di laboratorium Cui, memimpin tim yang memimpikan konsep dan membangun prototipe. Pada intinya, para peneliti membujuk pertukaran elektron reversibel antara air dan mangan sulfat, garam industri yang murah dan melimpah yang digunakan untuk membuat baterai sel kering, pupuk, kertas, dan produk lainnya.

Untuk meniru bagaimana angin atau sumber matahari dapat memberi daya listrik ke baterai, para peneliti memasang sumber daya ke prototipe. Elektron yang mengalir dalam bereaksi dengan sulfat mangan dilarutkan dalam air untuk meninggalkan partikel mangan dioksida menempel pada elektroda. Kelebihan elektron menggelembung sebagai gas hidrogen, menyimpan energi itu untuk digunakan di masa depan.

Insinyur tahu cara menciptakan kembali listrik dari energi yang tersimpan dalam gas hidrogen sehingga langkah penting berikutnya adalah membuktikan bahwa mereka dapat mengisi ulang baterai berbasis air.

Para peneliti melakukan ini dengan memasang kembali sumber daya mereka ke prototipe yang habis, kali ini dengan tujuan menginduksi partikel-partikel mangan dioksida yang menempel di elektroda untuk bergabung dengan air, mengisi garam sulfat mangan. Setelah proses ini memulihkan garam, elektron yang masuk menjadi kelebihan, dan kelebihan listrik dapat meletus sebagai gas hidrogen, dalam metode yang dapat diulang lagi dan lagi dan lagi.

Cui memperkirakan bahwa, mengingat usia pakai baterai berbasis air, akan diperlukan biaya satu sen untuk menyimpan listrik yang cukup untuk menyalakan bola lampu 100-watt selama dua belas jam.

"Kami percaya teknologi prototipe ini akan dapat memenuhi tujuan Departemen Energi untuk kepraktisan penyimpanan listrik skala utilitas," kata Cui.

Departemen Energi (DOE) telah merekomendasikan baterai untuk skala grid penyimpanan harus menyimpan dan kemudian melepaskan setidaknya 20 kilowatt daya selama satu jam, mampu setidaknya mengisi ulang 5,000, dan memiliki masa hidup yang berguna dari 10 tahun atau lebih. Untuk membuatnya praktis, sistem baterai seperti itu seharga $ 2,000 atau kurang, atau $ 100 per kilowatt hour.

Mantan sekretaris DOE dan peraih Nobel, Steven Chu, sekarang seorang profesor di Stanford, memiliki minat yang lama dalam mendorong teknologi untuk membantu transisi bangsa ke energi terbarukan.

"Sementara bahan dan desain yang tepat masih membutuhkan pengembangan, prototipe ini menunjukkan jenis sains dan teknik yang menyarankan cara-cara baru untuk mencapai baterai skala utilitas yang murah dan tahan lama," kata Chu, yang bukan anggota dari tim peneliti.

Memberdayakan grid

Menurut perkiraan DOE, sekitar 70 persen listrik AS dihasilkan oleh batubara atau pembangkit gas alam, yang merupakan penyebab 40 persen emisi karbon dioksida. Pergeseran ke angin dan pembangkit tenaga surya adalah salah satu cara untuk mengurangi emisi tersebut. Tapi itu menciptakan tantangan baru yang melibatkan variabilitas catu daya. Yang paling jelas, matahari hanya bersinar di siang hari dan, kadang-kadang, angin tidak bertiup.

Tetapi bentuk variabilitas lain yang kurang dipahami tetapi penting berasal dari lonjakan permintaan di jaringan listrik — jaringan kabel tegangan tinggi yang mendistribusikan listrik ke daerah-daerah dan akhirnya ke rumah-rumah. Pada hari yang panas, ketika orang-orang pulang kerja dan menghidupkan AC, utilitas harus memiliki strategi load-balancing untuk memenuhi permintaan puncak: beberapa cara untuk meningkatkan pembangkit listrik dalam beberapa menit untuk menghindari pemadaman atau pemadaman listrik yang mungkin mematikan grid .

Saat ini, utilitas sering melakukan hal ini dengan menyalakan pembangkit listrik on-demand atau "dapat dilepas" yang mungkin menganggur hampir sepanjang hari tetapi dapat datang online dalam beberapa menit — menghasilkan energi cepat tetapi meningkatkan emisi karbon. Beberapa utilitas telah mengembangkan keseimbangan beban jangka pendek yang tidak bergantung pada pembakaran bahan bakar fosil.

Strategi yang paling umum dan hemat biaya adalah memompa penyimpanan hidroelektrik: menggunakan kelebihan daya untuk mengirim air ke atas bukit, kemudian membiarkannya mengalir kembali ke bawah untuk menghasilkan energi selama permintaan puncak. Namun, penyimpanan hidroelektrik hanya bekerja di wilayah dengan air dan ruang yang memadai. Jadi untuk membuat angin dan matahari lebih berguna, DOE telah mendorong baterai berkapasitas tinggi sebagai alternatif.

Mengalahkan persaingan

Cui mengatakan ada beberapa jenis teknologi baterai yang dapat diisi ulang di pasar, tetapi tidak jelas pendekatan mana yang akan memenuhi persyaratan DOE dan membuktikan kepraktisan mereka terhadap utilitas, regulator, dan pemangku kepentingan lainnya yang menjaga jaringan listrik nasional.

Misalnya, Cui mengatakan bahwa baterai lithium ion yang dapat diisi ulang, yang menyimpan sejumlah kecil energi yang dibutuhkan untuk menjalankan ponsel dan laptop, didasarkan pada bahan langka dan karenanya terlalu mahal untuk menyimpan listrik untuk lingkungan atau kota. Cui mengatakan penyimpanan skala grid memerlukan baterai isi ulang berkapasitas rendah dan berkapasitas tinggi. Proses mangan-hidrogen tampaknya menjanjikan.

"Teknologi baterai isi ulang lainnya dengan mudah lebih dari lima kali dari biaya selama waktu hidup," tambah Cui.

Chen mengatakan kimia baru, material berbiaya rendah dan kesederhanaan relatif membuat baterai mangan-hidrogen ideal untuk penyebaran skala-grid berbiaya rendah.

Prototipe ini membutuhkan pekerjaan pengembangan untuk membuktikan dirinya. Untuk satu hal, ia menggunakan platinum sebagai katalis untuk memacu reaksi kimia penting pada elektroda yang membuat proses pengisian ulang efisien, dan biaya komponen itu akan menjadi penghalang untuk penyebaran skala besar. Tapi Chen mengatakan tim sudah bekerja dengan cara yang lebih murah untuk membujuk sulfat mangan dan air untuk melakukan pertukaran elektron reversibel.

"Kami telah mengidentifikasi katalis yang dapat membawa kita di bawah target DOE $ 100 per-kilowatt-jam," katanya.

Para peneliti melaporkan melakukan pengisian ulang 10,000 dari prototipe, yang merupakan dua kali persyaratan DOE, tetapi mengatakan akan perlu untuk menguji baterai mangan-hidrogen di bawah kondisi penyimpanan jaringan listrik yang sebenarnya untuk benar-benar menilai kinerja dan biaya seumur hidup.

Cui mengatakan ia telah berusaha mematenkan proses melalui Lisensi Office of Technology Stanford dan berencana untuk membentuk perusahaan untuk mengkomersilkan sistem.

Tentang Penulis

Yi Cui, seorang profesor ilmu material di Stanford University, adalah penulis senior makalah ini. Rekan penulis lainnya berasal dari Akademi Ilmu Pengetahuan Cina dan Stanford. Departemen Energi mendanai penelitian.

Sumber: Stanford University

Buku terkait

at Pasar InnerSelf dan Amazon