แบตเตอรี่แอมโมเนียที่นำความร้อนกลับมาใช้ใหม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ตามต้องการจากความร้อนเหลือทิ้งคุณภาพต่ำ กระบวนการใหม่ในการสร้างแบตเตอรี่เหล่านี้ช่วยเพิ่มความเสถียรและความสามารถในการจ่าย และอาจช่วยแก้ไขปัญหาการจัดเก็บพลังงานในระดับกริดของประเทศที่กำลังเติบโต ตามทีมวิจัยที่นำโดยนักวิจัยของ Penn State
Derek Hall ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมพลังงานกล่าวว่า “เราสามารถใช้แอมโมเนียเป็นพาหะพลังงานเพื่อควบคุมความร้อนเหลือทิ้งและเติมพลังงานให้กับสารเคมีในแบตเตอรี่” “แต่เคมีของแบตเตอรี่ก่อนหน้านี้ใช้อิเล็กโทรดสังกะสีหรือทองแดงที่เป็นโลหะ ซึ่งมีความพ่ายแพ้ครั้งใหญ่ในแง่ของความเสถียรของอิเล็กโทรด สิ่งที่เราทำคือแทนที่ปฏิกิริยาที่เกิดจากการสะสมเหล่านี้ด้วยเคมีเชิงซ้อนของทองแดงแบบใหม่ เพื่อแก้ปัญหาสำคัญๆ มากมายที่นักวิจัยคนก่อนๆ เผชิญอยู่”
ความร้อนเหลือทิ้งคุณภาพต่ำเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญในสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก โดยพลังงาน 60 เทราวัตต์-ชั่วโมงถูกทิ้งสู่สิ่งแวดล้อมในแต่ละปีโดยโรงไฟฟ้าและอุตสาหกรรม ตามการ ศึกษาล่าสุด มีเทคโนโลยีที่สามารถเปลี่ยนความร้อนทิ้งเกรดต่ำให้เป็นพลังงาน ซึ่งรวมถึงเซลล์เทอร์โมอิเล็กโทรเคมี (TECs) วัฏจักรไฟฟ้าเคมีที่สร้างใหม่ทางความร้อน (TRECs) และแบตเตอรี่แอมโมเนียที่สร้างความร้อนใหม่ (TRAB) อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อจำกัดมากมายในการกำหนดค่าแบตเตอรี่เหล่านี้
TEC แบบโซลิดสเตตใช้งานได้ง่ายกว่าระบบไฟฟ้าเคมี แต่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำเป็นพิเศษและขาดความสามารถในการเก็บพลังงาน TEC และ TREC มีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงกว่า แต่ยังคงประสบปัญหาความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ซึ่งจำกัดความสามารถในการทำงานได้ นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า TRABs มีความหนาแน่นของพลังงานที่ใหญ่ที่สุดพร้อมประสิทธิภาพด้านพลังงานที่สามารถแข่งขันกับเทคโนโลยีความร้อนเกรดต่ำอื่น ๆ แต่ได้อาศัยโลหะมีค่าที่ควบคุมต้นทุนไม่ได้ เช่น เงินหรืออิเล็กโทรดโลหะที่ใช้แล้วที่เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว
ภายใต้ทุนสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐ นักวิจัยของ Penn State ต้องการทดสอบสารประกอบทองแดงที่เป็นน้ำทั้งหมดใน TRAB ด้วยความหวังว่าจะสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและความทนทานของแบตเตอรี่ได้ ผลงานของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ใน Journal of Power Sources
“การจัดหาและการผลิตทองแดงทำได้ง่ายกว่ามากเมื่อเทียบกับธาตุหายากอื่นๆ และแร่ธาตุที่สำคัญที่ใช้ในแบตเตอรี่” Hall กล่าว “หากมีการพัฒนา เคมีของแบตเตอรี่เช่นนี้สามารถช่วยแก้ไขปัญหาการจัดเก็บพลังงานในระดับกริดที่กำลังเติบโตของเรา โดยการควบคุมแหล่งความร้อนเหลือทิ้งขนาดใหญ่ที่ไม่ได้ใช้เหล่านี้”
เนื่องจากปฏิกิริยาทองแดงที่เป็นน้ำทั้งหมดไม่เคยถูกใช้ในแบตเตอรี่แอมโมเนียที่สร้างความร้อนใหม่มาก่อน Hall กล่าวว่าขั้นตอนแรกคือการดูว่าเคมีนี้จะใช้งานได้หรือไม่
TRAB ทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่แบบไฮบริดและแบบไหลทั่วไป อิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่มีอยู่ในถังเก็บซึ่งถูกปั๊มเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้าเคมีเพื่อผลิตหรือเก็บไฟฟ้า ขนาดของเครื่องปฏิกรณ์สัมพันธ์โดยตรงกับความจุพลังงานและขนาดถังสัมพันธ์กับความจุพลังงาน TRAB ส่วนใหญ่เป็นแนวคิดเกี่ยวกับแบตเตอรี่แบบไหลแบบไฮบริด เนื่องจากทำงานโดยใช้ปฏิกิริยารีดอกซ์ที่สะสมและทำให้โลหะหมดที่อิเล็กโทรด อย่างไรก็ตาม TRAB ต่างจากแบตเตอรี่แบบไหลอื่นๆ ตรงที่ชาร์จโดยใช้ความร้อนเหลือทิ้งคุณภาพต่ำผ่านกระบวนการแยกแอมโมเนีย
นักวิจัยได้ตรวจสอบข้อ จำกัด ของพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานและผลกระทบจากองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์และกระแสไหลผ่านชุดการทดสอบเซลล์เดียว การเพิ่มความเข้มข้นของแอมโมเนีย ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น แต่ความหนาแน่นของพลังงานลดลง การเพิ่มความหนาแน่นของกระแสไฟออกจะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเฉลี่ยในระหว่างการคายประจุโดยไม่สูญเสียความหนาแน่นของพลังงานอย่างมาก การเพิ่มความเข้มข้นของทองแดงจะเพิ่มทั้งความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน แต่ไม่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความหนาแน่นของพลังงาน แบตเตอรี่ผลิตความหนาแน่นพลังงานสูงถึง 30 มิลลิวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรและความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 2 วัตต์-ชั่วโมงต่อลิตรทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์
“สิ่งที่ระบุถึงแบตเตอรี่นี้คือช่องว่างทางเทคนิคในกระบวนการใช้พลังงานของเรา” Hall กล่าว “ความร้อนที่เข้ามาเพียงเสี้ยวเดียวที่เราใช้สำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิลจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานที่มีประโยชน์ ในบางกรณีสูญเสียมากกว่า 50% ดังนั้นการสามารถมีสิ่งเช่นนี้ที่สามารถใช้กระแสของเสียนั้นและสร้างพลังงานได้มากขึ้น ให้คุณค่าเพิ่มเติมจากทรัพยากรอันมีค่าเหล่านี้ ดีต่อสิ่งแวดล้อมด้วยการทำให้เราประหยัดพลังงานมากขึ้น”
ขั้นตอนต่อไปของนักวิจัยคือการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบให้ดียิ่งขึ้นและพิจารณาว่าเทคโนโลยีนี้สามารถนำไปใช้ในด้านนี้ได้อย่างไรจากทั้งการออกแบบระบบและมุมมองทางเศรษฐกิจ พวกเขาต้องการสำรวจว่าจะรวมเข้ากับระบบพลังงานความร้อนได้อย่างไร และต้องใช้รอยเท้าทางกายภาพมากเพียงใดเพื่อผลิตพลังงานและพลังงานในปริมาณที่ใช้งานได้
Nicholas Cross ผู้สมัครระดับปริญญาเอกด้านวิศวกรรมเคมีของ Penn State และผู้เขียนนำโครงการกล่าวว่า “การเปลี่ยนแปลงด้านพลังงานทั่วโลกกำลังจะเกิดขึ้นในรูปแบบต่างๆ มากมาย เนื่องจากการแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำเป็นต้องเกิดขึ้นในภาคส่วนต่างๆ มากมาย” “เทคโนโลยีนี้สามารถผลักดันการเปลี่ยนแปลงวิธีการและสถานที่ผลิตพลังงานและพลังงานโดยการเชื่อมต่อระบบใหม่เข้ากับโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้ว”
นักวิจัยคนอื่น ๆ ในโครงการนี้ ได้แก่ Christopher Gorski รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม Bruce Logan, ศาสตราจารย์ Kappe และศาสตราจารย์ Evan Pugh University; Serguei Lvov ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมพลังงานและแร่และวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม และ Matthew Rau ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล
Lubrizol Corporation ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ Berkshire Hathaway ได้แนะนำ Penn State เกี่ยวกับงานวิจัยนี้เพื่อให้แน่ใจว่าเป้าหมายของโครงการสอดคล้องกับความต้องการของอุตสาหกรรม Lubrizol Corporation พัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย
