2025-02-20
Baixo o sol abrasador do deserto do Sahara, no momento en que os paneis fotovoltaicos converten a luz solar en electricidade, os seres humanos completaron unha forma máxica de enerxía. Pero a natureza errática da saída e posta do sol no leste e das nubes fai que o almacenamento de enerxía sexa un campo de batalla clave na revolución da enerxía limpa. Desde as torres de sal fundida do Dunhuang Gobi ata o Powerwall de Tesla, os avances na ciencia dos materiais están a remodelar os límites do almacenamento de enerxía: substancias especiais que non só captan a luz solar, senón que tamén a converten nun recurso desechable.
Os humanos decatáronse do poder da enerxía solar no século III a.C., cando o castelo de Siracusa utilizaba un espello para enfocar os raios solares para acender a flota romana. Os materiais modernos de almacenamento de calor continúan esta sabedoría orixinal e logran o almacenamento de enerxía mediante cambios de forma física.
A característica da fusión da parafina a 58 ° C fai que sexa o medio de almacenamento de calor de cambio de fase máis económico. O sistema fotovoltaico do tellado do aeroporto internacional de Beijing Daxing encapsula 300 toneladas de cera de parafina modificada nunha estrutura de aluminio tipo panal para absorber a calor residual dos paneis fotovoltaicos durante o día e liberar enerxía pola noite para manter a temperatura do edificio da terminal, reducindo o consumo de enerxía do aire acondicionado nun 40% ao ano. Os materiais compostos de sal eutéctica máis avanzados (como nitrato de litio e nitrato de potasio) poden elevar a temperatura de almacenamento de calor ata 565 ° C, e a central fototérmica de Crescent Sand Dune dos Estados Unidos utiliza este material para acadar 17 horas de subministración de enerxía continua.
A densidade de almacenamento de calor a granel do sal fundido a 565 ℃ é de 780 MJ/m³, o que é 12 veces a da auga. A central fototérmica de torre Delingha de 50 MW en Qinghai utiliza 28,000 toneladas de nitratos binarios (60% de nitrato de sodio + 40% de nitrato de potasio) para converter a luz solar durante o día en enerxía de turbina de vapor pola noite. O sistema de sal fundido de cloruro recentemente desenvolvido (como MgCl₂/KCl) eleva a temperatura de funcionamento a 800 ° C e aumenta a eficiencia de almacenamento de calor nun 25%.
O óxido de cobalto (Co₃O₄) reaccionou reversiblemente a 800 °C. Co₃O₄ ↔ 3CoO + ½O₂. A densidade de almacenamento de calor ₃ era de 1500 kJ por kg, o que era 3 veces a do sal fundido. A unidade experimental, construída polo Centro Aeroespacial Alemán, utiliza 20 toneladas de óxido metálico para almacenar calor a través das estacións, liberando a calefacción solar almacenada no verán no inverno.
Cando os paneis fotovoltaicos converten fotóns en electróns, como consegues que estas partículas microscópicas flúen de forma ordenada cando é necesario? Os materiais das baterías constrúen o sistema financeiro do sistema enerxético moderno.
O fosfato de ferro de litio (LiFePO₄) é o rei do almacenamento de enerxía doméstico co seu ciclo de vida de 2000. O sistema de almacenamento de enerxía Megapack de Tesla utiliza este material para construír unha central eléctrica de 300 MWh que pode alimentar 60,000 fogares durante unha hora. O terpolímero de níquel-cobalto-manganeso (NCM811), cunha densidade de enerxía de 280 Wh/kg, está reescribindo as regras de resistencia dos vehículos eléctricos.
A batería de fluxo de vanadio utiliza solucións de ións de vanadio de diferentes estados de valencia como electrólito, e o sistema de 3MW desenvolvido polo equipo da Universidade de Tsinghua consegue un 80% de eficiencia enerxética, suavizando as flutuacións da rede eléctrica na base de almacenamento de Zhangjiakou Fengguang. Baterías de fluxo de fluído ferro-cromo máis baratas, utilizando pares de enerxía Fe² + Fe³ + e Cr² + /Cr³ +, a empresa estadounidense ESS construíu unha central de almacenamento de enerxía de clase 100 MWh.
O electrólito sólido de sulfuro (por exemplo, Li₆PS₅Cl) levou a densidade de enerxía da batería a 500Wh/kg. Toyota ₆ tiña como obxectivo producir en masa un vehículo eléctrico que conteña esta batería en 2027. O electrólito de materia condensada desenvolvido polo Ningde Times de China resolveu o problema da seguridade do almacenamento de enerxía mantendo os 100 ° C sen incendiarse durante os experimentos de acupuntura.
Converter a enerxía solar en moléculas químicas transportables é a última fantasía da humanidade de saír da rede. Os materiais fotocatalíticos están a facer realidade este soño.
O dióxido de titanio (TiO₂) iniciou a era da fotocatálise en 1972, pero a súa capacidade de usar só a luz ultravioleta deu lugar a unha nova xeración de catalizadores. Composto de nitruro de carbono (C₃N₄) desenvolvido na Universidade de Tokio, Xapón. A eficiencia de produción de hidróxeno alcanzou o 8.2% baixo luz visible. O equipo australiano utilizou nanocables de fosfuro de cobalto para aumentar a eficiencia ata o 16%, o que está preto do limiar de comercialización.
Os materiais de armazón metal-orgánico (MOF) mostran un potencial sorprendente na fotosíntese artificial. O material Zn-Zr MOF de Caltech ten unha selectividade do 90% na conversión de CO₂ en metanol baixo a luz solar simulada, cunha taxa de conversión de 5 mmol/g por hora. O catalizador a base de cobre desenvolvido polo equipo da Academia Chinesa de Ciencias conseguiu a produción continua de combustible solar nun reactor a escala industrial.
O catalizador de rutenio reduce a temperatura da síntese de amoníaco do proceso Haber de 500 ℃ a 350 ℃, o que está perfectamente combinado co sistema termoquímico solar. A planta de síntese de amoníaco fototérmico de NEOM Smart City, Arabia Saudita, produce directamente fertilizantes nitróxenos sen carbono coa luz solar, reducindo 4.6 toneladas de CO₂ por tonelada de produto.
Á fronte do laboratorio, novos materiais están a romper os límites da física clásica e a abrir novas dimensións de almacenamento de enerxía.
As características inusuales de transporte de calor do seleniuro de bismuto (Bi₂Se₃) fixeron que a densidade de almacenamento de calor fose 5 veces a dos materiais tradicionais. O Instituto Tecnolóxico de Massachusetts fabricou cápsulas de almacenamento de micro calor utilizando este material, que pode almacenar a calor da estufa solar nun espazo de 1 cm³ durante tres horas.
Os derivados do azobenceno desenvolvidos polo Instituto Federal Suízo de Tecnoloxía sofren unha transformación da configuración molecular baixo luz ultravioleta, almacenan enerxía ata 1.2 MJ/kg e liberan de forma reversible cando son estimulados pola luz visible. A aplicación deste "resorte molecular" nos materiais de construción pode facer que a parede exterior da casa se converta nun depósito de calor autoaxustable día e noite.
Os puntos cuánticos de sulfuro de chumbo e os electrodos compostos de grafeno conseguen unha eficiencia de carga e descarga do 99 % nos dispositivos integrados de almacenamento de enerxía fotovoltaica. O prototipo do laboratorio NREL dos Estados Unidos cárgase completamente en 5 minutos baixo luz estándar e ten un ciclo de vida de máis de 100,000 veces.
O lado escuro da revolución material: retos e avances
A carón da central fotovoltaica de Dunhuang, decenas de miles de toneladas de paneis fotovoltaicos desmantelados acumúlanse en outeiros prateados, revelando a brutal realidade do ciclo material. O custo de recuperación da prata e do chumbo en compoñentes de silicio cristalino é tres veces o valor do material, e o risco de fugas de chumbo nas baterías de perovskita non foi totalmente resolto. A tecnoloxía de descomposición de plasma desenvolvida pola European Union Photovoltaic Recycling Alliance pode aumentar a taxa de recuperación dos materiais do módulo ata o 97%, pero o custo de procesamento aínda é de 0.3 euros/kg.
O desaxuste entre o ciclo de desenvolvemento de novos materiais e a velocidade da transición enerxética é aínda máis complicado. Desde o laboratorio ata a comercialización, as baterías de estado sólido levaron 30 anos e o obxectivo global de neutralidade en carbono está a só 26 anos. O Proxecto Xenoma de Materiais do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos utiliza a intelixencia artificial para seleccionar materiais candidatos, reducindo o ciclo de investigación e desenvolvemento nun 70 % e descubriu 12 novos materiais de almacenamento de hidróxeno.
Cando as estacións de investigación da Antártida usan materiais de cambio de fase para almacenar a luz solar durante os días polares durante longas noites de inverno, e as aldeas africanas usan baterías de fluxo de ferro e cromo para almacenar enerxía fotovoltaica para facer funcionar equipos médicos, os materiais de almacenamento solar están remodelando a paisaxe enerxética da civilización humana. Este non é só o progreso da tecnoloxía, senón tamén a re-comprensión da natureza da enerxía: desde a procura de explosións de enerxía instantáneas ata a construción da liberdade espazo-temporal da rede enerxética. Quizais algún día, xa non almacenaremos a enerxía solar en si, senón todo o mundo material nun portador de enerxía programable, e entón os humanos captarán realmente o poder do sol.
tags:
Proxecto de xestión de campamentos de Arabia Saudita en enerxía solar fotovoltaica
Proxecto europeo de almacenamento de enerxía de 4 MWh
Proxecto de carport solar de Shanghai Huijue
Proxecto de pequeno sistema de almacenamento de enerxía comercial para empresas de fabricación de Singapur
Proxecto do sistema de microrrede da área escénica da provincia de Hunan de China
