p Os pesquisadores de Stanford desenvolveram uma bateria à base de água que pode fornecer uma maneira barata de armazenar a energia eólica ou solar gerada quando o sol está brilhando e o vento sopra, para que possa ser realimentada na rede elétrica e redistribuída quando a demanda for alta. p O protótipo da bateria de manganês-hidrogênio, relatado hoje em Nature Energy , tem apenas sete centímetros de altura e gera apenas 20 miliwatts-hora de eletricidade, o que está no mesmo nível dos níveis de energia das lanternas LED, pode-se pendurar um chaveiro.

p Apesar da produção diminuta do protótipo, os pesquisadores estão confiantes de que podem levar esta tecnologia de mesa para um sistema de nível industrial que pode carregar e recarregar até 10, 000 vezes, criando uma bateria em escala de grade com uma vida útil bem superior a uma década.

p Yi Cui, professor de ciência dos materiais em Stanford e autor sênior do artigo, disse que a tecnologia da bateria de manganês-hidrogênio pode ser uma das peças que faltam no quebra-cabeça de energia do país - uma maneira de armazenar energia eólica ou solar imprevisíveis para diminuir a necessidade de queimar combustíveis fósseis confiáveis, mas que emitem carbono, quando as fontes renováveis ​​não são acessível.

p "O que fizemos foi jogar um sal especial na água, caiu em um eletrodo, e criou uma reação química reversível que armazena elétrons na forma de gás hidrogênio, "Cui disse.

p Química inteligente

p A equipe que idealizou o conceito e construiu o protótipo foi liderada por Wei Chen, um pós-doutorado no laboratório de Cui. Em essência, os pesquisadores persuadiram uma troca de elétrons reversível entre a água e o sulfato de manganês, um barato, abundante sal industrial usado para fazer baterias de células secas, fertilizantes, papel e outros produtos.

p Para imitar como uma fonte eólica ou solar pode alimentar a bateria, os pesquisadores conectaram uma fonte de energia ao protótipo. Os elétrons que fluíam reagiram com o sulfato de manganês dissolvido na água para deixar partículas de dióxido de manganês aderidas aos eletrodos. O excesso de elétrons borbulhava como gás hidrogênio, armazenando assim essa energia para uso futuro. Os engenheiros sabem como recriar eletricidade a partir da energia armazenada no gás hidrogênio, então o próximo passo importante foi provar que a bateria à base de água pode ser recarregada.

p Os pesquisadores fizeram isso reconectando sua fonte de energia ao protótipo esgotado, desta vez com o objetivo de induzir as partículas de dióxido de manganês aderidas ao eletrodo para se combinarem com a água, reabastecimento do sal de sulfato de manganês. Uma vez que este sal foi restaurado, elétrons de entrada tornaram-se excedentes, e o excesso de energia pode borbulhar como gás hidrogênio, em um processo que pode ser repetido continuamente.

p Cui estimou que, dada a expectativa de vida útil da bateria à base de água, custaria um centavo para armazenar eletricidade suficiente para alimentar uma lâmpada de 100 watts por doze horas.

p "Acreditamos que esta tecnologia de protótipo será capaz de atender às metas do Departamento de Energia (DOE) para armazenamento elétrico em escala de serviço público, "Cui disse.

p O DOE recomendou baterias para armazenamento em escala de rede que devem armazenar e, em seguida, descarregar pelo menos 20 quilowatts de energia durante um período de uma hora, ser capaz de pelo menos 5, 000 recargas, e têm uma vida útil de 10 anos ou mais. Para torná-lo prático, tal sistema de bateria deve custar US $ 2, 000 ou menos, ou $ 100 por quilowatt-hora.

p O ex-secretário do Departamento de Energia e ganhador do Prêmio Nobel Steven Chu, agora um professor em Stanford, tem um interesse de longa data em incentivar tecnologias para ajudar a transição da nação para a energia renovável.

p "Embora os materiais e o design precisos ainda precisem ser desenvolvidos, este protótipo demonstra o tipo de ciência e engenharia que sugere novas maneiras de obter baixo custo, baterias de longa duração em escala de serviço público, "disse Chu, que não era membro da equipe de pesquisa.

p Afastando-se do carbono

p De acordo com as estimativas do DOE, cerca de 70 por cento da eletricidade dos EUA é gerada por carvão ou usinas de gás natural, responsáveis ​​por 40% das emissões de dióxido de carbono. Mudar para a geração eólica e solar é uma forma de reduzir essas emissões, mas cria um novo desafio envolvendo a variabilidade do fornecimento de energia. Obviamente, o sol só brilha de dia e, as vezes, o vento não sopra.

p Mas outra forma de variabilidade menos compreendida, mas importante, vem dos surtos de demanda na rede - aquela rede de fios de alta tensão que distribui eletricidade por regiões e, por fim, até residências. Em um dia quente, quando as pessoas chegam do trabalho e ligam o ar condicionado, as concessionárias devem ter estratégias de balanceamento de carga para atender à demanda de pico:alguma forma de aumentar a geração de energia em minutos para evitar quedas de energia ou blecautes que poderiam derrubar a rede.

p Hoje, as concessionárias costumam fazer isso acionando usinas de energia sob demanda ou "despacháveis" que podem ficar ociosas a maior parte do dia, mas pode ficar online em minutos - produzindo energia rápida, mas aumentando as emissões de carbono. Algumas concessionárias desenvolveram balanceamento de carga de curto prazo que não depende de usinas de queima de combustível fóssil. O efeito mais comum e de custo dessa estratégia é o armazenamento hidrelétrico bombeado:usar o excesso de energia para enviar água montanha acima, em seguida, deixando-o fluir de volta para gerar energia durante o pico de demanda. Contudo, o armazenamento hidrelétrico só funciona em regiões com a água e o espaço, portanto, para tornar a energia eólica e a solar mais úteis, o DOE encorajou baterias de alta capacidade como uma alternativa.

p Alta capacidade, baixo custo

p Cui disse que existem vários tipos de tecnologias de baterias recarregáveis ​​no mercado, mas não está claro quais abordagens atenderão aos requisitos do DOE e comprovarão sua praticidade para as concessionárias, reguladores e outras partes interessadas que mantêm a rede elétrica do país.

p Por exemplo, Cui disse que as baterias recarregáveis ​​de íon de lítio, que armazenam as pequenas quantidades de energia necessárias para operar telefones e laptops, baseiam-se em materiais raros e, portanto, são caros demais para armazenar energia para um bairro ou cidade. Cui disse que o armazenamento em escala de rede requer um baixo custo, alta capacidade, bateria recarregável e o processo de manganês-hidrogênio parecem promissores.

p "Outras tecnologias de bateria recarregável custam facilmente mais de 5 vezes esse custo ao longo da vida, "Cui acrescentou.

p Chen disse que uma nova química, materiais de baixo custo e relativa simplicidade tornaram a bateria de manganês-hidrogênio ideal para implantação em escala de rede de baixo custo.

p "O avanço que relatamos em Nature Energy tem o potencial de atender aos critérios de escala de grade do DOE, "Chen disse.

p O protótipo precisa de trabalho de desenvolvimento para se provar. Por um lado, ele usa a platina como um catalisador para estimular as reações químicas cruciais no eletrodo que tornam o processo de recarga eficiente, e o custo desse componente seria proibitivo para implantação em grande escala. Mas Chen disse que a equipe já está trabalhando em maneiras mais baratas de persuadir o sulfato de manganês e a água a realizar a troca reversível de elétrons.

p "Identificamos catalisadores que poderiam nos deixar abaixo da meta DOE de US $ 100 por quilowatt-hora, " ele disse.

p Os pesquisadores relataram fazer 10, 000 recargas dos protótipos, que é o dobro dos requisitos DOE, mas digamos que será necessário testar a bateria de manganês-hidrogênio em condições reais de armazenamento da rede elétrica para avaliar verdadeiramente seu desempenho e custo de vida útil.

p Cui disse que buscou patentear o processo por meio do Stanford Office of Technology Licensing, e planos para formar uma empresa para comercializar o sistema.

p Yi Cui também é professor do Photon Science Directorate no SLAC National Accelerator Laboratory, e um membro sênior do Precourt Institute for Energy, membro do Stanford Bio-X e do Stanford Neurosciences Institute. Outros co-autores incluem Guodong Li, um professor visitante em ciência de materiais e engenharia e agora na Academia Chinesa de Ciências; estudiosos de pós-doutorado Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen e Jiangyan Wang; o professor visitante Hao Zhang; e estudantes de pós-graduação Zheng Liang, Yuzhang Li e Allen Pei.