A 20. század fordulóján Thomas Edison feltalált egy akkumulátort, amely szokatlan trükkel állított elő hidrogént. Most, 120 évvel később az ...
A 20. század fordulóján Thomas Edison feltalált egy akkumulátort, amely szokatlan trükkel állított elő hidrogént. Most, 120 évvel később az akkumulátor újból életre kelhet.
Egy kavicsos úton haladva a New Jersey-i West Orange városában egy elektromos autónak meglepően tágas belső tere volt. Kétszer akkora sebességgel haladt, mint az általa lehagyott hagyományosabb járművek, felkavarva a port, amely talán csiklandozta az utcán állandóan hintót húzó lovak orrát.
Az 1900-as évek elejét írták, és ennek a kocsinak a vezetője Thomas Edison volt. Noha az elektromos autók nem jelentettek újdonságot a környéken, legtöbbjük nehézkes ólom-sav akkumulátorokra támaszkodott.
Edison új típusú akkumulátorral látta el autóját, amelyről azt remélte, hogy hamarosan országszerte járműveket fog működtetni, ami egy nikkel-vas akkumulátor volt. A svéd feltaláló, Ernst Waldemar Jungner munkájára építve, aki először 1899-ben szabadalmaztatta a nikkel-vas akkumulátort, Edison igyekezett finomítani a gépjárművekben való használatát.
Edison azt állította, hogy a nikkel-vas akkumulátor hihetetlenül rugalmas, és kétszer olyan gyorsan tölthető, mint az ólom-savas akkumulátorok. Még egy megállapodása is volt a Ford Motorsszal egy állítólag hatékonyabb elektromos jármű gyártására.
De a nikkel-vas akkumulátornak igenis volt némi hátránya, mivel nagyobb volt, mint a szélesebb körben használt ólom-sav akkumulátorok, és drágább. Emellett töltéskor hidrogén szabadult fel, amelyet kellemetlenségnek tartottak és veszélyes lehetett.
Sajnos, mire Edison megalkotta volna a kifinomultabb prototípust, az elektromos járművek mellett olyan fosszilis üzemanyaggal működő járművek jelentek meg, amelyek nagyobb távolságokat tudtak megtenni, mielőtt tankolni vagy újra kellett volna tölteni őket. Edison szerződése a Ford Motorsszal háttérbe szorult, bár akkumulátorát továbbra is használták, például vasúti jelzőknél, ahol nem jelentett problémát terjedelmes mérete.
Ám több mint egy évszázaddal később a mérnökök újra kezdik felfedezni a nikkel-vas akkumulátort, mintha valami durva gyémánt lenne. Most a megújuló energiák kihívására adott válaszként azt vizsgálják, hogy a tiszta energiaforrások, például a szél és a napenergia esetében hogyan alkalmazható. Az egykor aggasztó mellékterméknek tartott hidrogénról pedig kiderült, hogy az egyik leghasznosabb dolog ezekben az akkumulátorokban.
A 2010-es évek közepén a hollandiai Delfti Műszaki Egyetem kutatócsoportja az előállított hidrogénre alapozott nikkel-vas akkumulátor használatát kezdte vizsgálni. Amikor az elektromosság áthalad az akkumulátoron, miközben töltődik, kémiai reakció történik, amely hidrogént és oxigént szabadít fel. A csapat felismerte, hogy a reakció emlékeztet a hidrogén vízből történő felszabadítására, amelyet elektrolízisnek hívnak. (1)
"Számomra úgy nézett ki, hogy a kémia ugyanaz," - mondja Fokko Mulder, a Delfti Egyetem kutatócsoportjának vezetője. Ez a vízbontási reakció az egyik módja annak, hogy a hidrogént üzemanyagként - és teljesen tiszta üzemanyagként - állítsák elő, feltéve, hogy a reakció meghajtásához felhasznált energia megújuló forrásból származik.
Miközben Mulder és csapata tudta, hogy a nikkel-vas akkumulátor elektródái képesek a víz felbontására, meglepődve tapasztalták, hogy az elektródák nagyobb energiatárolással rendelkeznek, mint a hidrogén előállítása előtt. Más szavakkal, jobb akkumulátor lett, amikor elektrolizátorként is használták.
Meglepődtek azon is, hogy az elektródák mennyire jól bírják az elektrolízist, amely túlzottan megterhelheti és ronthatja a hagyományosabb akkumulátorokat. "És természetesen elégedettek voltunk azzal, hogy mindezek során az energiahatékonyság jónak tűnt," - mondja Mulder, elérve a 80-90%-ot.
Mulder ezt "battolizátor"-nak nevezte el, és remélik, hogy felfedezésük segíthet megoldani a megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos két fő kihívást: az energiatárolást, és amikor az akkumulátorok megteltek, a tiszta üzemanyag előállítását.
"Hallani lehet ezeket a vitákat egyrészt az akkumulátorokról, másrészt a hidrogénről," - mondja Mulder. "Mindig volt egyfajta verseny a két irány között, de alapvetően mindkettőre szükség van."
Megújuló érték
A megújuló energiaforrások, például a szél és a napenergia egyik legnagyobb kihívása az, hogy mennyire kiszámíthatatlanok és időszakosak lehetnek. Például a napenergia használatával nappal és nyáron többlet energia termelhető, de éjszaka és a téli hónapokban az ellátás csökken.
A hagyományos akkumulátorok, például a lítium alapúak, rövid távon képesek energiát tárolni, de ha teljesen fel vannak töltve, fel kell szabadítaniuk a felesleget, különben túlmelegedhetnek és lebomlanak. A nikkel-vas battolizátor viszont teljesen feltöltve stabil marad, ekkor áttérhet a hidrogén előállítására.
"A nikkel-vas akkumulátorok ellenállóak, jobban bírják az alul- és túltöltést, mint a többi elem," - mondja John Barton, az egyesült királyságbeli Loughborough Egyetem Gépészeti, Villamos- és Gyártástechnikai Iskolájának tudományos munkatársa, aki szintén kutat battolizátorokat. "A hidrogéntermeléssel a battolizátor több napos, sőt szezonális energiatárolást tesz lehetővé."
A hidrogén létrehozása mellett a nikkel-vas akkumulátorok más hasznos tulajdonságokkal is bírnak, elsősorban azzal, hogy szokatlanul kevés karbantartást igényelnek. Rendkívül tartósak, amint azt Edison már a korai elektromos autójában bebizonyította, és egyesekről ismert, hogy 40 évig is eltartanak. Az akkumulátor előállításához szükséges fémek - nikkel és vas - szintén gyakoribbak, mint például a hagyományos akkumulátorok előállításához használt kobalt.
Ez azt jelenti, hogy az battolizátoroknak lehet egy másik lehetséges szerepe a megújuló energiában: elősegíti annak nyereségesebbé válását.
Mint minden más iparágban, a megújuló energia ára a kínálat és a kereslet alapján ingadozik. Egy fényes, napsütéses napon rengeteg energiát termelhet a napenergia, ami zsúfoltsághoz és csökkenéshez vezethet az energia árában. A battolizátor azonban segíthet kisimítani ezeket a csúcsokat és völgyeket.
"Ha a villamos energia ára magas, akkor lemeríthetjük ezt az akkumulátort, de ha alacsony az áram ára, akkor feltölthetjük az akkumulátort és hidrogént állíthatunk elő," - mondja Mulder.
A battolizátor ebben a tekintetben nincs egyedül. A hagyományosabb alkáli elektrolizátorok akkumulátorokkal párosítva ezt a funkciót is elláthatják, és elterjedtek a hidrogéntermelő iparban. Mulder úgy gondolja, hogy a battolizátorok ugyanezt kevesebb pénzért és hosszabb ideig is megtehetik, köszönhetően a rendszer tartósságának. Ez reményteli a battolizátor támogatóinak.
És bár a hidrogén a battolizátor közvetlen terméke, más hasznos anyagok is előállíthatók belőle, például ammónia vagy metanol, amelyeket általában könnyebb tárolni és szállítani. "Ha van egy battolizátor, akkor egy ammóniaüzem folyamatosan működhetne, és kevesebb munkaerőre lenne szüksége, csökkentve a működési és a fenntartási költségeket, ezáltal fenntartható, zöld módon állítva elő legolcsóbban az ammóniát," - mondta a Proton Ventures ügyvezetője, aki befektetett Mulder battolizátorába.
Méretezhetőség
Jelenleg a létező legnagyobb akkumulátor 15kW/15kWh, ami elegendő akkumulátor-kapacitással és hosszú távú hidrogén-tárolóval rendelkezik 1,5 háztartás áramellátásához. A hollandiai Eemshavenben található Magnum erőműben egy 30kW/30kWh battolizátor nagyobb változata készül, ahol elegendő hidrogént biztosít az erőmű igényeinek kielégítésére.
Miután szigorú tesztelésen esett át, a cél az, hogy tovább bővítsék és eljuttassák a battolizátort a zöld energia termelőihez, például nap- és szélerőművekhez. Végül a battolizátor támogatói azt remélik, hogy eléri a gigawattos léptéket - ami megegyezik mintegy 400 közüzemi szélturbina által termelt energiával. A felméretezés mellett Barton szerepet lát a kisebb battolizátorok számára is, amelyek segíthetnek az energiaellátásban azoknak a mini-hálózatoknak, amelyeket távoli közösségek használnak, melyek nem a fő hálózatokon élnek.
Ez segíthet abban, hogy a battolizátor elektródái viszonylag olcsó és közönséges fémekből készüljenek. A lítiummal ellentétben a nikkel és a vas bányászatakor nem keletkezik nagy mennyiségű vízhulladék, és nem kapcsolódik a környezet jelentős romlásához sem.
Ennek ellenére Mulder és Barton is akadályokat lát a hatékonyság és a kapacitás terén. "A battolizátor valóban profitálna a megnövekedett akkumulátor kapacitásból vagy a csökkentett belső ellenállásból," - mondja Barton. A belső ellenállás az akkumulátor áramának ellentmondása. Minél nagyobb a belső ellenállás, annál alacsonyabb a hatásfok. Ennek javításán Mulder és csapata most dolgozik.
A battolizátor potenciáljának nagy része jobbára rejtve maradt, mióta Thomas Edison a 20. század fordulóján először kísérletezni kezdett nikkel-vas akkumulátorával. Lehet, hogy tévedett, amikor azt hitte, hogy akkumulátora kiszorítja az útról a többi járművet. De a nikkel-vas akkumulátor még szerepet játszhat a fosszilis üzemanyagok szélesebb körű lecserélésében, elősegítve a megújuló energiákra való áttérést. (2)
(1) - https://pubs.rsc.org/en/content/article
(2) - https://www.bbc.com/future/article/
