Os pesquisadores da Penn State estão procurando maneiras inovadoras de melhorar o armazenamento de energia em um esforço para melhor utilizar as tecnologias de energia renovável.

"Um dos principais obstáculos que nos impedem de depender fortemente de sistemas de energia renovável é que não podemos regular quando eles nos fornecem energia, "disse Derek Hall, professor assistente de engenharia de energia na Penn State. "Idealmente, queremos encontrar algum tipo de tecnologia de armazenamento de energia que possa complementar as energias renováveis ​​para nos ajudar na transição para uma infraestrutura de energia mais sustentável. "

Sistemas de energia renovável, como eólica e solar, são capazes de produzir eletricidade suficiente para abastecer comunidades inteiras. Contudo, eles dependem de processos naturais para produzir a eletricidade necessária, e a natureza pode ser imprevisível. Isso resulta em fluxos e refluxos na geração de eletricidade renovável. Às vezes, eólica e solar são capazes de produzir mais do que a rede pode suportar, levando os preços da eletricidade para o negativo. Alternativamente, se o vento parar ou houver um período de mau tempo, a produção pára e os preços disparam.

Este fenômeno inspirou Hall a começar a explorar de forma mais econômica, estratégias de armazenamento de energia por meio de vários projetos de pesquisa colaborativa na Penn State.

Aprimorando a química da bateria

Corredor, junto com Christopher Gorski, professor associado de engenharia ambiental, e Serguei Lvov, professor de energia e engenharia mineral e ciência e engenharia de materiais e diretor do Programa de Tecnologias Eletroquímicas do Instituto de Energia EMS, estão usando química de ligante para melhorar o desempenho eletroquímico de produtos químicos de bateria mais baratos, graças a uma bolsa dos Institutos de Energia e Meio Ambiente (IEE) e do Instituto de Pesquisa de Materiais.

“O objetivo é tentar encontrar materiais mais baratos para fazer baterias, "Hall disse." O principal obstáculo que nos impede é que a maioria dos materiais baratos tem pequenas densidades de armazenamento de energia, o que leva a um desempenho ruim da bateria. "

Ligantes são íons ou moléculas que se ligam a um metal central. Eles são comumente usados ​​na natureza e em processos biomiméticos para alterar a reatividade do metal, mas não foram usados ​​anteriormente em baterias de fluxo. Os pesquisadores estão usando materiais como cobre, ferro e cromo, que são mais baratos do que os materiais tradicionais, como o lítio, cobalto e vanádio, e emparelhá-los com ligantes em um esforço para reduzir significativamente os custos de capital associados à produção de baterias.

A equipe realizará experimentos para identificar se os complexos metal-ligante atingem altas densidades de armazenamento de energia. Eles farão isso em três etapas:termodinâmica, cinética, e teste de célula completa. Em cada etapa, parâmetros-chave diferentes serão testados para uma bateria de fluxo redox típica. A fase termodinâmica irá explorar como os ligantes impactam o potencial do eletrodo, então, a fase cinética testará quanta corrente elétrica pode ser aproveitada. Finalmente, os pesquisadores testarão todos os componentes juntos para ver como funcionam em uníssono.

"Muitas partes desta história ainda estão faltando, então este será em grande parte um projeto de pesquisa fundamental, "Hall disse." Não existe uma teoria real unificada que explique como os ligantes afetam as reações eletroquímicas.

Os pesquisadores esperam que este projeto, intitulado "New Low-Cost Flow Battery Chemistries via Ligand- Enhanced Redox Reactions, "fornecerá os resultados preliminares necessários para buscar concessões maiores destinadas ao desenvolvimento de novas químicas de bateria de fluxo e obter insights fundamentais sobre por que e como os ligantes alteram as reatividades de complexos metálicos.

"Precisamos começar a explorar todas as nossas opções de armazenamento de energia porque mudar nossa infraestrutura para energias renováveis ​​é uma grande transição que é sensível ao tempo, "Hall disse." Quando construímos nossa infraestrutura de combustível fóssil, fizemos isso ao longo de muitas décadas. Agora precisamos descobrir quais são as melhores escolhas, ou a maioria das opções funcionais, são, e construir muito em breve. "

Convertendo calor residual em energia

Hall também está trabalhando com Bruce Logan, professor de engenharia ambiental, e Matthew Rau, professor assistente de engenharia mecânica, em pesquisa financiada por meio de outro subsídio inicial que visa melhorar o desempenho e as capacidades de produção de energia de baterias de fluxo que são carregadas com calor residual em vez de eletricidade.

"Se pudéssemos encontrar uma maneira de redirecionar o calor residual para eletricidade, mesmo que seja uma pequena quantidade sob demanda, isso pode ajudar a diminuir nossa necessidade de mais geração de eletricidade, "Hall disse.

Como em outro projeto de Hall, esta equipe está usando um tipo de tecnologia de bateria de fluxo, mas com um método único de recarga térmica. O projeto, intitulado "Aumentando as densidades de energia e as eficiências de ciclo do romance, Baterias de fluxo carregadas termicamente usando topologias de célula de fluxo avançadas, "tentará melhorar a densidade de energia por meio de designs de campo de fluxo de bateria distintos. Eles farão isso por meio de modelagem computacional usando o software COMSOL Multiphysics.

"A tecnologia na qual estamos trabalhando usa uma composição química específica onde você pode recarregar a reação química usando calor residual em vez de eletricidade, "Rau disse.

Em uma bateria tradicional, uma reação química cria o potencial de descarga, gerando eletricidade. Quando o processo é revertido para recarregar a bateria, alguma eletricidade deve ser usada para fazer isso. Para esta nova tecnologia, os pesquisadores vão recarregar a bateria separando dois produtos químicos usando o calor residual. Quando esses produtos químicos são combinados novamente, eles vão criar uma reação química que gera eletricidade, portanto, eliminando a necessidade de usar eletricidade adicional para recarregar a bateria.

"Esta seria uma tecnologia competitiva com os métodos tradicionais de armazenamento de energia, como baterias de íon de lítio, mas único no fato de que não requer eletricidade, "Rau disse." Requer calor para carregar, portanto, estamos essencialmente abrindo um novo recurso que pode potencialmente alimentar processos industriais ou parte da rede elétrica. "

A ideia básica existe há cerca de cinco anos, Rau disse, mas os pesquisadores estão procurando melhorar o desempenho do modelo básico, para que se torne comercialmente viável.

“Desenvolver esta tecnologia não será fácil, "disse ele." Estas baterias fazem o fluxo de eletrólitos através de eletrodos porosos. O fluxo de fluido sozinho é complicado o suficiente para modelar sem nem mesmo considerar as reações químicas que também ocorrem. Estamos desenvolvendo a experiência para modelar com precisão como o fluxo de fluido nessas baterias afeta as diferentes reações químicas e, em última análise, como esses parâmetros se relacionam com a saída de energia da bateria. "

Os pesquisadores estão esperançosos de que os experimentos preliminares feitos antes de iniciar este estudo tenham dado a eles as ferramentas necessárias para o sucesso.

"Atualmente, temos pouco uso para o calor residual na indústria e na geração de energia, "Rau disse." Ele simplesmente é descartado com a água de resfriamento ou vomitado na atmosfera em uma chaminé de exaustão. Se pudermos realmente aproveitar esse calor residual, vamos aumentar a eficiência energética de muitos setores diferentes. "

Esses projetos ilustram a necessidade de desenvolver em larga escala, tecnologias de armazenamento de energia que combinam bem com tecnologias de energia renovável, Hall disse.

"Não haverá uma solução que simplesmente vença, "acrescentou." Provavelmente será uma mistura. É uma espécie de situação com todas as mãos no convés. Realmente não sabemos qual vai funcionar ou quando será necessário, portanto, acho que explorar várias opções é o melhor caminho a seguir. "