Năng lượng từ nước biển
Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ khai thác năng lượng từ việc trộn nước ngọt và nước biển
Nguồn:
Đại học Stanford
Bản tóm tắt:
Một loại pin mới được làm từ vật liệu bền và giá cả phải chăng tạo ra năng lượng từ những nơi mà muối và nước ngọt hòa quyện. Công nghệ này có thể làm cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển không phụ thuộc vào năng lượng và trung hòa cacbon.
Chia sẻ:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ
Muối là sức mạnh. Nghe có vẻ giống như thuật giả kim, nhưng năng lượng ở những nơi nước biển mặn và nước ngọt hòa quyện có thể cung cấp một nguồn năng lượng tái tạo khổng lồ. Các nhà nghiên cứu Stanford đã phát triển một công nghệ bền, giá cả phải chăng có thể khai thác cái gọi là năng lượng xanh này.
Bài báo, được xuất bản gần đây trên tạp chí ACS Omega của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, mô tả loại pin và đề xuất sử dụng nó để làm cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển không phụ thuộc vào năng lượng.
“Năng lượng xanh là một nguồn năng lượng tái tạo khổng lồ và chưa được khai thác”, đồng tác giả nghiên cứu Kristian Dubrawski, một học giả sau tiến sĩ về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Stanford cho biết. "Pin của chúng tôi là một bước tiến quan trọng để thực tế thu năng lượng đó mà không cần màng, bộ phận chuyển động hoặc đầu vào năng lượng."
Dubrawski làm việc trong phòng thí nghiệm của đồng tác giả nghiên cứu Craig Criddle, một giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường nổi tiếng với các dự án liên lĩnh vực về công nghệ tiết kiệm năng lượng. Ý tưởng phát triển một loại pin chạm vào các gradient muối bắt nguồn từ đồng tác giả nghiên cứu Yi Cui, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, và Mauro Pasta, một học giả sau tiến sĩ về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại thời điểm nghiên cứu. Áp dụng khái niệm đó cho các nhà máy xử lý nước thải ven biển là bước ngoặt của Criddle, được sinh ra từ kinh nghiệm phát triển công nghệ xử lý nước thải lâu năm của ông.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm một nguyên mẫu của pin, theo dõi quá trình sản xuất năng lượng của nó trong khi xả nước bằng cách luân phiên trao đổi nước thải hàng giờ từ Nhà máy Kiểm soát Chất lượng Nước Khu vực Palo Alto và nước biển được lấy từ Vịnh Half Moon gần đó. Hơn 180 chu kỳ, vật liệu pin duy trì hiệu quả 97 phần trăm trong việc thu nhận năng lượng gradient độ mặn.
Công nghệ này có thể hoạt động ở bất kỳ nơi nào mà nước ngọt và nước mặn giao thoa, nhưng các nhà máy xử lý nước thải cung cấp một nghiên cứu điển hình đặc biệt có giá trị. Xử lý nước thải tiêu tốn nhiều năng lượng, chiếm khoảng ba phần trăm tổng phụ tải điện của Hoa Kỳ. Quá trình này - thiết yếu đối với sức khỏe cộng đồng - cũng dễ bị ảnh hưởng bởi sự cố ngừng hoạt động của lưới điện. Làm cho các nhà máy xử lý nước thải độc lập với năng lượng sẽ không chỉ cắt giảm việc sử dụng điện và lượng khí thải mà còn giúp chúng không bị mất điện - một lợi thế lớn ở những nơi như California, nơi các trận cháy rừng gần đây đã dẫn đến mất điện trên diện rộng.
Điện nước
Mỗi mét khối nước ngọt hòa với nước biển tạo ra năng lượng khoảng 0,65 kilowatt giờ - đủ để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà trung bình ở Mỹ trong khoảng 30 phút. Trên toàn cầu, năng lượng có thể thu hồi về mặt lý thuyết từ các nhà máy xử lý nước thải ven biển là khoảng 18 gigawatt - đủ để cung cấp điện cho hơn 1.700 ngôi nhà trong một năm.
Pin của tập đoàn Stanford không phải là công nghệ đầu tiên thành công trong việc thu năng lượng màu xanh lam, nhưng nó là công nghệ đầu tiên sử dụng điện hóa pin thay vì áp suất hoặc màng. Nếu nó hoạt động trên quy mô lớn, công nghệ sẽ cung cấp một giải pháp đơn giản, mạnh mẽ và hiệu quả hơn về chi phí.
Đầu tiên, quá trình giải phóng các ion natri và clorua từ các điện cực của pin vào dung dịch, làm cho dòng điện chạy từ điện cực này sang điện cực kia. Sau đó, sự trao đổi nhanh chóng của nước thải đầu ra với nước biển dẫn điện cực để kết hợp lại các ion natri và clorua và đảo ngược dòng điện. Năng lượng được thu hồi trong cả quá trình xả nước ngọt và nước biển mà không cần đầu tư năng lượng trả trước và không cần sạc. Điều này có nghĩa là pin liên tục xả và sạc lại mà không cần bất kỳ nguồn năng lượng đầu vào nào.
Công nghệ bền và giá cả phải chăng
Trong khi các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy sản lượng điện vẫn còn thấp trên mỗi khu vực điện cực, tiềm năng mở rộng quy mô của pin được coi là khả thi hơn so với các công nghệ trước đây do diện tích nhỏ, đơn giản, tạo ra năng lượng liên tục và thiếu màng hoặc công cụ để kiểm soát điện tích và điện áp. Các điện cực được làm bằng Prussian Blue, một vật liệu được sử dụng rộng rãi làm chất màu và y học, có giá dưới 1 đô la một kg và polypyrrole, một vật liệu được sử dụng thử nghiệm trong pin và các thiết bị khác, được bán với giá dưới 3 đô la một kg với số lượng lớn.
Cũng không cần đến pin dự phòng vì vật liệu tương đối chắc chắn, lớp phủ polyvinyl alcohol và axit sulfosuccinic bảo vệ các điện cực khỏi bị ăn mòn và không có bộ phận chuyển động nào liên quan. Nếu được mở rộng quy mô, công nghệ này có thể cung cấp đủ điện áp và dòng điện cho bất kỳ nhà máy xử lý ven biển nào. Sản xuất điện dư thừa thậm chí có thể được chuyển hướng sang hoạt động công nghiệp gần đó, chẳng hạn như nhà máy khử muối.
"Đó là một giải pháp khoa học thanh lịch cho một thử nghiệm phức tạp
Dubrawski nói." Nó cần phải được thử nghiệm trên quy mô lớn và nó không giải quyết được thách thức khai thác năng lượng xanh ở quy mô toàn cầu - những con sông chảy ra đại dương - nhưng đó là một điểm khởi đầu tốt có thể thúc đẩy những tiến bộ này. "
Để đánh giá tiềm năng đầy đủ của pin trong các nhà máy nước thải thành phố, các nhà nghiên cứu đang làm việc trên một phiên bản thu nhỏ để xem hệ thống hoạt động như thế nào với nhiều pin hoạt động đồng thời.
Nguồn:
Tài liệu do Đại học Stanford cung cấp. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí:
Meng Ye, Mauro Pasta, Xing Xie, Kristian L. Dubrawski, Jianqaio Xu, Chong Liu, Yi Cui, Craig S. Criddle. Pin Entropy trộn không sạc được kích hoạt bằng vật liệu điện cực chi phí thấp. ACS Omega, 2019; 4 (7): 11785 DOI: 10.1021 / acsomega.9b00863
