Z ukládání elektrické energie a hospodaření s ní se vzhledem ke změnám klimatu a nedostatku energie stává stále naléhavější problém. Již existující technologie, jako jsou dobíjecí baterie a superkondenzátory, jsou založeny na složitých konfiguracích včetně kapalných elektrolytů a jejich slabou stránkou jsou problémy spojené s řešením otázky poměru velikost / výkon a vysokými výrobními náklady. Mezi veřejností rovněž roste povědomí o negativním vlivu tradičních zdrojů energie na životní prostředí, které podněcuje snahu o nalezení alternativních, udržitelných a také zelených zdrojů energie.
Nákladově efektivní a šetrné k životnímu prostředí
Dr. Xie a jeho tým vyvinuli membránu, od které si slibují nejen efektivnější hospodaření s náklady při dodávání energie, ale také šetrnost k životnímu prostředí. Výzkumní pracovníci použili polymer na bázi polystyrenu aby vytvořili měkkou a také ohebnou membránu, která, když je sevřená dvěma kovovými destičkami, může uchovat náboj a dosahovat až 0,2 F na centimetr čtvereční. To výrazně přesahuje horní limit 1 μF na centimetr čtvereční u standardního kondenzátoru.
Nová membrána je nákladově efektivní a šetrná k životnímu prostředí (zdroj: http://hitechbrew.com/)
Také se prudce snížily náklady spojené s uskladněním energie. Cena za uložení se v případě každého faradu a technologií na bázi tekutých elektrolytů pohybuje kolem 7 US$. Díky moderní membráně pro ukládání energie se však stejné náklady snížily na impozantních 0,62 US$. To znamená, že 1 dolar při použití technologie Li-lon baterií představuje 2,5 Wh, zatímco 1 dolar při použití technologie energetické membrány znamená 10 až 20 Wh.
Dr. Xie říká: „Pokud srovnáme nabíjecí baterie a superkondenzátory, vlastní membrána umožňuje velice jednoduchou konfiguraci zařízení a nízké výrobní náklady. Výkon membrány navíc předčí dobíjecí baterie, jako například Li-lon články, olověné akumulátory a superkondenzátory.“
Výzkum je podporován dotacemi ze Singapore-MIT Aliance pro výzkum a technologie (SMART) a z Národního fondu pro výzkum. Dr. Xie a jeho tým začal pracovat na membráně počátkem loňského roku, takže celý vývoj trval asi 1,5 roku. Tým Dr. Xie zároveň úspěšně obdržel americký patent pro tento nový vynález. O vynálezu se zmínil časopis Energy & Environmental Science, výjimečnost a důležitost také vyzdvihl časopis Nature.
Cena za uložení se v případě každého faradu a technologií na bázi tekutých elektrolytů pohybuje kolem 7 US$. Díky moderní membráně pro ukládání energie se však stejné náklady snížily na impozantních 0,62 US$. To znamená, že 1 dolar při použití technologie Li-lon baterií představuje 2,5 Wh, zatímco 1 dolar při použití technologie energetické membrány znamená 10 až 20 Wh.
Potenciální využití: Od hybridních vozidel po solární panely a větrné turbíny
Membrána by mohla být využívána v hybridních vozidlech pro okamžité ukládání a dodávání energie a tudíž ke zvýšení energetické účinnosti a snížení emisí uhlíku. Potenciálně by mohla být hybridní vozidla napájena energií uloženou v membránách současně s energií z paliva, což by zvyšovalo životnost autobaterií a zároveň znamenalo snížení nákladů.
Membrána by také mohla být použita v solárních panelech a ve větrných turbínách, kde by ukládala a spravovala vyrobenou elektřinu. Energie, poskytovaná z těchto zdrojů, je však kvůli své závislosti na přírodních faktorech náchylná k nestabilitě. Díky rozšiřování energetických zdrojů s membránou by ale mohl být problém nestability potencionálně negován. Přebytek energie by tak mohl být okamžitě uložen v membránách a dodán pro použití v době, kdy jsou přírodní faktory nedostatečné, například když je v noci nedostatek světla.
Dr. Xie a jeho tým (zdroj: http://hitechbrew.com/)
Další krok
Na prototypech membránového zařízení výzkumný tým prokázal vynikající výkonnost při skladování energie. V součastné době tým Dr. Xie zkoumá možnost práce s investory rizikového kapitálu za účelem komerčního využití membrány. O tuto membránovou technologii projevilo zájem již mnoho rizikových investorů.
„S příchodem naší nové membrány bude skladování energie mnohem přístupnější, cenově dostupnější a také bude možné vyrábět tuto technologii ve velkém měřítku. Membrána je šetrná k životnímu prostředí a nabízí možnost změnit součastný stav energetických technologií,“ říká Dr. Xie.
Komentáře
Jen jestli soudruzi ze Singapuru někde neudělali chybu...
Hm, tak nás spasí folie (honosně nazvaná "membrána") z polystyrenu! Polystyren - to je ta vysoce hořlavá a teplotně ne příliš odolná látka, že? To je tedy opravdu výborná surovina pro výrobu kondenzátorů pro výkonovou elektrotechniku, kde teplota přes 100 stupňů je běžná pracovní teplota...
Ze vzorce pro výpočet kondenzátoru vyplývá, že čím blíže dáme k sobě elektrody, tím větší kapacitu získáme. Když z toho polystyrenu udělají "nanofolii", tak to může mít docela slušnou kapacitu. Ale pozor, "nanofolie" bude mít také "nanonapěťovou" odolnost - tedy kondenzátor bude jen na pár voltů (možná jen desetin voltu). A to je problém. Energie uložená v kondenzátoru je rovna C x U2. Takže je třeba hledat nejen kondenzátor s vysokou kapacitou, ale především s co nejvyšším pracovním napětím
No jen ať si rizikový kapitál užije rizika.
nechci zbytečne
nechci zbytečne prudit,
ale
Jednotkou náboje je coulomb, nikoliv farad
Farad je jednotkou kapacity...
nonsense
Velmi zajímavý text!
Děkuji autorce za upozornění na článek Xian Ning Xie! Rád bych doplnil předchozí komentáře, že po prohlédnutí reportů Xiana, jde o pokusné vzorky, breakdovn voltage je cca 3 V, uložitelná energie v 1 cm2 membrány je cca 1.7 J, což je fantastické číslo. Membrána je iontově vodivá (cca 2.8 × 10−4 S cm−1) a energie se ukládá formou kondenzace mobilních kationtů na membránu. Opačně při dekondenzaci se náboj uvolňuje. Problém je, že membrána musí mít kolem sebe ten "redbull" ze kterého se nabíjí. Takže nejde udělat nějaké miniaturní mnohovrstvenné kondíky. Ale objev mě dost nadchnul, pokud půjde kapacitu efektivně škálovat, tak je vyřešen jeden z velkých problémů lidstva - efektivní skladování elektrické energie.
Byl bych velmi opatrný v nadšení.
Pokusím se přeložit princip toho zázraku z reklamštiny do normálního jazyka:
"energie se ukládá formou kondenzace mobilních kationtů na membránu" - vzpomínám si na fyziku v osmé třídě základky, kdy pan učitel namaloval na tabuli izolant a na obě strany toho izolantu namaloval vodivé elektrody. V těch elektrodách namaloval kolečka, která byla směrem k izolantu hodně nahuštěná a směrem od izolantu řídla. V jedné elektrodě namaloval do těch koleček plus a na druhé mínus. A k tomu dodal: ty kolečka představují opačně nabité částice, které se navzájem přitahují a čím je větší napětí, tím víc se jich k sobě přitáhne... Podobný obrázek je na http://intranet.ssinte-karvina.cz/download/navratil/Elektrotechnika/01%2... - jen místo těch chybějících elektronů tam namaloval přebývající kationty - tedy "+"
Takže "kondezace" je taky shluknutí (nashromáždění). A větu "kondenzace mobilních kationtů na membránu" si překládám "shluknutí kladných částic k dielektriku" - tedy to popisuje tu část obrázku s nahromaděnými "plusy". Ten princip je tedy normální kondenzátor. Upřesňuji elektrolytický kondenzátor, když potřebuje ten "red bull" neboli elektrolyt.
A průšvih je ta vodivost: Když spočítám vodivost membrány o ploše 1 cm2 a tloušťce 10 mikronů, vyjde mi G= (2.8 × 10−4 S cm−1) x (1 cm2) / (0.0001 cm) = 0.28 S tedy 3.5 Ohmu. Když ke kondenzátoru nabitém na 3V připojíte odpor 3.5 ohmu, bude počáteční vybíjecí proud 0.85 A. To se ta zázračná 1.7 Ws (J) ztratí dřív než dvakrát mrknete okem. O nějakém trvalejším udržení energie už vůbec nemluvím. Jo a tím ztrátovým proudem se bude taky zahřívat ta zázračná polystyrenová membrána.
Zajímavé je taky výzkumnické tvrzení, že "1 dolar při použití technologie energetické membrány znamená 10 až 20 Wh." 10 Wh je 360000 Ws tedy 360000 J. Když z 1 cm2 dostanou (snad) 1.7 Ws, je to plocha 36000 / 1.7 = 21000 cm2 tedy 2.1 m2. Takovou plochu dovedou vyrobit (tedy včetně elektrod, "red bullu", membrány, zapouzdření, přisvorkování, nákladů na výrobní automat, výrobní halu, dělníka, energii na výrobu i vytápění haly, nákladů na skladování a distribuci a přiměřený zisk) za jeden USD (= 18 Kč)?
Pro oprávněného skeptika
Souhlasím s Vaším textem (s výjimkou trvalejšího udržení energie). Ano, ten údaj o 1USD=10-20Wh je reklamština a jde o teoretické aproximované hodnoty s tím, že zatím mají kousky cca 5x5 cm a z toho to odvozují, takže cesta k reálnému kondíku je ještě HODNĚ dlouhá. Na druhou stranu jde o skutečně výrazné navýšení kapacity. Otázkou bude degradace membrány při opakovaných cyklech (protože o tom nepíší, tak v tom tuším čertovinu).
Trvalejší udržení energie je dáno postupným nechtěným vybíjením náboje. Pokud se jim daří udělat tu membránu dostatečně nepropustnou, tak by náboj ubývat nemusel. Na druhé straně se bohatě používaly NiMH články, které ztrácely 10% energie měsíčně a v reálu to nevadilo. Potřeba dlouhodobého uschování náboje klesá exponenciálně - tedy největší potřeba je na uschování energie po krátkou dobu. Třeba automobil - reálná potřeba je 30 minut pro městský provoz a rekuperaci při brzdění. Nebo sluneční elektrárny - stačí doba podržení náboje cca 12 hodin. Bohužel hlavním problémem dneška je několik parametrů - kapacita/cena, váha, počet cyklů, rozměry. Pokud by se tohle podařilo zdolat, tak si lidstvo hodně oddechne. Současné pokusy o elektrovozy jsou spíše směšné a ekonomicky velmi neefektivní.