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清洁能源的更清洁存储

像风能、太阳能这样的可再生能源方案是按自然时间表运作的。阳光灿烂,微风拂面之时,电能便极其丰富——但是当消费者真正需要电能的时候,比如在燥热无风的夏日夜晚,靠风能太阳能发电就是痴人说梦了。

如何存储这些非连续能源产生的能量引起了人们强大兴趣,但是应用经济学和基础化学却限制了绿色能源的更广泛应用。可行的蓄电方案不能把再生电的价格抬的太高,否则再生电就会昂贵的让之望尘莫及。化石燃料由于成本相对低廉,仍然是世界上主要能量来源。

为了让新能源博得一席之地,哈佛大学的工程师和化学家所带领的团队将在一个为期一年,有60万美元创新项目拨款的项目中研发一种新型蓄电池。该款项由美国能源部先进研究计划署划拨,为一年以上新能源的开发注资,具体取决于进展。这项奖励是美国能源部先进研究计划署在“OPEN 2012”项目里1.3亿美元资金投入的一部分,旨在支持创新能源技术。

这种叫做液流电池的技术以有机小分子为基础,让人们看到蓄电的大好前景:成本效益好,呈网状分布,不会损害生态环境。由于项目的核心驱动力是落实到实际应用,研究者正和Sustainable Innovations, LLC公司,一家商业电化学系统开发公司合作。

“如果电能主要是由诸如风力涡轮机和太阳能光电板这类非连续再生源产生,那么我们就要储存大量能量,”研究带头人迈克尔·阿齐兹(Michael Aziz)如是说。他是哈佛大学工程与应用科学学院材料和能源技术的Gene and Tracy


Sykes教授。“目前对于这种大规模蓄电问题,还没有低成本的解决方案。有了液流电池,使固定蓄电或许会在市场中成为可能,那将使风能和太阳能代替更多化石燃料。”

液流电池是一种高性能可再充电的燃料电池,适合存储大量电能,内部化学物质以液体形式存在,流过电化学转化硬件,存储于廉价的、任意大的容器表面。这使得设计者自主决定电化学转化硬件(决定峰值功率容量)和化工储罐(决定能量容量)的大小。

相比之下,在固态电极电池中,比如汽车和移动设备中常见的那类,能量转化硬件和能量容量处在同一装置中,不能解耦。这样它们能在电耗光之前只能保持不到一小时的峰值放电功率。研究表明把风能和太阳能这类新能源在目前的电网中放光需要1到2天(一昼一夜为一天) 。

例如,要存储一个一兆瓦的风力涡轮机在50小时内所生成的能量(50兆瓦时),一种可行的解决方案是买一个50兆瓦时能量存储的固体电极电池。然而只需要1兆瓦能量却要花钱买功率容量为50兆瓦的电池,太不划算了吧?

阿齐兹说,“不光是现有的固态电池用于存储非连续风能和太阳能不切实际,现在正在发展中的液流电池也有一定限制。在液流电池中用于储存的化学物质不是价格昂贵就是难以保存。”

例如,钒氧化还原液流电池——最受瞩目的一种化学电池——因为钒价格高昂,使得每千瓦时的存储成本很高,限制了商业性峰值储备。钠硫电池运行时内部成分成熔融状态,要求容器耐高温。高昂的成本和复杂的蓄电过程限制了钠硫电池的应用。

阿齐兹认为使用某种特定有机小分子是关键。他的团队已经致力的这些小分子可以在植物中找到,可以以极低的价格人工合成。无毒,室温下即可存储。此外,它们可以在存能所需的化学状态中高效循环。

阿齐兹作为材料学专家和高效液流电池的开发者,他把精力集中在分子和电极电化学以及液流电池发展上。化学Thomas Dudley Cabot教授,同时也是材料学教授的罗伊·戈登(Roy Gordon)会加入他,负责化学筛选以及分子和实际电催化和防护涂料的合成。Alán Aspuru-Guzik是化学和化学生物学系的副教授,他将用其首创的高效的分子筛选方法对最优分子进行鉴定。Trent M. Molter,Sustainable Innovations, LLC公司的董事长和首席执行官将提供把这些创新用于商业电化学系统的专业知识

阿齐兹说,“我们认为自己特定的方法相比其他液流电池更有优势,如更高功率密度,更高效,化学物质更低廉,蓄电更安全。这个项目一旦成功,像风能太阳能这类非连续新能源就可以任意释放能量,使得这类能源可以满足更大的电力需求。”

阿齐兹预测,在房顶配有太阳能板的房屋地下室或咖啡馆使用的用于蓄电的新一代液流电池,更大程度上,可以直接并入风场和太阳场。这项技术在边远地区太阳能存储方面甚至可以超过铅酸蓄电池,而无需接入电网。

“尽管液流电池蓄电并未让人停止使用化石能源,在现存的能源系统和市场中,液流电池却可能消除障碍,让人不再使用化石能源。”阿齐兹说,“光靠最好的工程和化学不足以解决能源危机。和当前基础设施相兼容几乎一直都很重要,经济可行性也很重要。液流电池可能在我们从化石燃料向新能源转化过程中扮演重要角色,哈佛大学能有这样一个机会开发潜在的力挽狂澜的存储装置,我表示很激动。”


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