Термически регенеративные аммиачные батареи могут производить электроэнергию по запросу из низкопотенциального отработанного тепла. Новый процесс создания этих батарей повышает их стабильность и доступность и может помочь решить растущую в стране проблему хранения энергии в масштабе сети, по словам группы исследователей из Пенсильванского университета.

«Мы можем использовать аммиак в качестве энергоносителя для использования отработанного тепла и перезарядки некоторых химических элементов аккумуляторов », — сказал Дерек Холл, доцент кафедры энергетики. «Но в предыдущих химиях аккумуляторов использовались металлические цинковые или медные электроды, которые имели серьезные недостатки с точки зрения стабильности электродов. Мы заменили эти реакции, основанные на осаждении, новой химией комплексов меди, чтобы решить множество серьезных проблем, с которыми столкнулись предыдущие исследователи. »

Низкопотенциальное отработанное тепло является значительным источником неиспользуемой энергии в США и во всем мире: согласно последним исследованиям, ежегодно электростанции и промышленность выбрасывают в окружающую среду 60 тераватт-часов энергии. Существуют технологии, которые могут превратить это низкопотенциальное отработанное тепло в энергию, включая термоэлектрохимические элементы (ТЭХ), термически регенеративные электрохимические циклы (ТРЭЦ) и термически регенеративные аммиачные батареи (ТРАБ); однако для этих конфигураций батарей все еще существует множество ограничений.

Твердотельные ТЭО проще в эксплуатации, чем электрохимические системы, но обладают исключительно низкой плотностью мощности и не обладают способностью накапливать энергию. TEC и TREC имеют более высокую тепловую эффективность, но по-прежнему страдают от низкой удельной мощности, что ограничивает их жизнеспособность. Из них TRAB имеют наибольшую плотность мощности с энергоэффективностью, которая конкурентоспособна с другими технологиями низкопотенциального нагрева, но они основаны либо на дорогостоящих драгоценных металлах, таких как серебро, либо на используемых металлических электродах, которые быстро разлагаются, говорят ученые.

Исследователи штата Пенсильвания хотели протестировать полностью водные медные комплексы в TRAB в надежде, что они могут улучшить как производительность батареи, так и ее долговечность. Их результаты были недавно опубликованы в Journal of Power Sources.

«Поиск и производство меди намного проще по сравнению с другими редкими элементами и важными минералами, используемыми в батареях», — сказал Холл. «Если такие аккумуляторные батареи будут разработаны, они могут помочь решить нашу растущую проблему накопления энергии в масштабе сети за счет использования этих огромных неиспользуемых источников отработанного тепла».

Учитывая, что полностью водные реакции с медью никогда раньше не использовались в термически регенеративных аммиачных батареях, Холл сказал, что первым шагом будет проверка того, будет ли эта химия работать.

TRAB работают аналогично другим гибридным и обычным проточным батареям. Электролиты аккумуляторов содержатся в резервуарах для хранения, которые перекачиваются в электрохимический реактор для производства или хранения электроэнергии. Размер реактора напрямую зависит от мощности, а размер бака зависит от мощности. Большинство TRAB представляют собой концепции гибридных проточных батарей, поскольку они работают с использованием окислительно-восстановительных реакций, которые осаждают и истощают металлы на электродах. Однако, в отличие от других проточных батарей, TRAB могут перезаряжаться с использованием низкопотенциального отработанного тепла в процессе выделения аммиака.

Исследователи исследовали ограничения мощности и плотности энергии .и как на них влияет состав электролита и разрядные токи в ходе серии испытаний отдельных элементов. При увеличении концентрации аммиака удельная мощность батареи увеличивалась, но плотность энергии уменьшалась. Увеличение плотности тока разряда увеличивало среднюю плотность мощности во время разряда без существенных потерь плотности энергии. Увеличение концентрации меди увеличило как плотность энергии, так и энергоэффективность, но не сильно повлияло на плотность мощности. В зависимости от состава электролита батарея обеспечивала плотность мощности до 30 милливатт на квадратный сантиметр и плотность энергии до 2 ватт-часов на литр. Эти результаты представляют собой одни из самых высоких характеристик, когда-либо достигнутых для мембранной системы низкопотенциального отработанного тепла в электричество.

«Эта батарея устраняет технический пробел в нашем процессе использования энергии», — сказал Холл. «Только часть поступающего тепла, которое мы используем для ископаемого топлива, превращается в полезную энергию. В некоторых случаях более 50% тратится впустую, поэтому возможность иметь что-то подобное, которое может использовать этот поток отходов и создавать больше энергии, обеспечивает дополнительные ценность этих драгоценных ресурсов. Это хорошо для окружающей среды, делая нас более энергоэффективными».

Следующие шаги исследователей заключаются в дальнейшей оптимизации самой конструкции и рассмотрении того, как эта технология может быть реализована в полевых условиях как с точки зрения дизайна системы, так и с экономической точки зрения. Они хотят изучить, как он будет интегрироваться в тепловую энергетическую систему и насколько большой физический след потребуется для производства полезного количества энергии и энергии.

«Глобальный энергетический переход будет происходить множеством способов, потому что декарбонизация должна происходить во многих различных секторах», — сказал Николас Кросс, докторант в области химического машиностроения в Пенсильванском университете и ведущий автор проекта. «Эта технология может способствовать переходу к тому, как и где производится электроэнергия и энергия, путем подключения новых систем к уже существующей инфраструктуре».