Salt är kraft. Det kan låta som alkemi, men energin på platser där salt havsvatten och sötvatten blandas kan ge en enorm källa till förnybar energi. Stanford-forskare har utvecklat en prisvärd, hållbar teknik som skulle kunna utnyttja denna så kallade blå energi.

Pappret, nyligen publicerad i American Chemical Society's ACS Omega , beskriver batteriet och föreslår att man ska använda det för att göra kustreningsverk energioberoende.

"Blå energi är en enorm och outnyttjad källa till förnybar energi, " sa studiemedförfattare Kristian Dubrawski, en postdoktor i civil- och miljöteknik vid Stanford. "Vårt batteri är ett stort steg mot att praktiskt taget fånga den energin utan membran, rörliga delar eller energitillförsel."

Dubrawski arbetar i labbet hos studiemedförfattaren Craig Criddle, en professor i civil- och miljöteknik känd för tvärvetenskapliga fältprojekt av energieffektiv teknik. Idén att utveckla ett batteri som utnyttjar saltgradienter har sitt ursprung hos studiemedförfattarna Yi Cui, professor i materialvetenskap och teknik, och Mauro Pasta, en postdoktor i materialvetenskap och teknik vid tidpunkten för forskningen. Att tillämpa det konceptet på reningsverk vid kustnära avloppsvatten var Criddles twist, född av hans långa erfarenhet av att utveckla teknologier för rening av avloppsvatten.

Forskarna testade en prototyp av batteriet, övervakar sin energiproduktion samtidigt som den spolas med omväxlande utbyten av avloppsvatten per timme från Palo Alto Regional Water Quality Control Plant och havsvatten som samlats in i närheten från Half Moon Bay. Över 180 cykler, batterimaterial bibehöll 97 procent effektivitet för att fånga salthaltsgradientenergin.

Tekniken kan fungera var som helst där sötvatten och saltvatten blandas, men avloppsreningsverk erbjuder en särskilt värdefull fallstudie. Rening av avloppsvatten är energikrävande, svarar för cirka tre procent av den totala amerikanska elektriska belastningen. Processen – väsentlig för samhällets hälsa – är också sårbar för avstängningar av elnätet. Att göra avloppsreningsverk energioberoende skulle inte bara minska elanvändningen och utsläppen utan också göra dem immuna mot strömavbrott – en stor fördel på platser som Kalifornien, där den senaste tidens skogsbränder har lett till storskaliga avbrott.

Vattenkraft

Varje kubikmeter sötvatten som blandas med havsvatten producerar cirka 0,65 kilowattimmar energi – tillräckligt för att driva det genomsnittliga amerikanska huset i cirka 30 minuter. Globalt, den teoretiskt utvinningsbara energin från kustvattenreningsverk är cirka 18 gigawatt – tillräckligt för att driva mer än 1, 700 bostäder under ett år.

Stanford-gruppens batteri är inte den första tekniken som lyckas fånga blå energi, men det är den första som använder batterielektrokemi istället för tryck eller membran. Om det fungerar i skala, tekniken skulle erbjuda en enklare, robust och kostnadseffektiv lösning.

Processen frigör först natrium- och kloridjoner från batterielektroderna till lösningen, får strömmen att flyta från en elektrod till den andra. Sedan, ett snabbt utbyte av avloppsvatten med havsvatten leder till att elektroden återinkorporerar natrium- och kloridjoner och vänder på strömflödet. Energi återvinns under både sötvatten- och havsvattenspolningarna, utan energiinvestering i förväg och inget behov av laddning. Detta innebär att batteriet ständigt laddas ur och laddas upp utan att behöva tillföra energi.

Hållbar och prisvärd teknik

Medan laboratorietester visade att uteffekten fortfarande är låg per elektrodområde, batteriets uppskalningspotential anses vara mer genomförbar än tidigare teknologier på grund av dess lilla fotavtryck, enkelhet, konstant energiskapande och brist på membran eller instrument för att styra laddning och spänning. Elektroderna är gjorda med Prussian Blue, ett material som ofta används som pigment och medicin, som kostar mindre än 1 dollar per kilogram, och polypyrrol, ett material som används experimentellt i batterier och andra enheter, som säljs för mindre än 3 dollar per kilogram i bulk.

Det finns också lite behov av reservbatterier, eftersom materialen är relativt robusta, en beläggning av polyvinylalkohol och sulfobärnstenssyra skyddar elektroderna från korrosion och det finns inga rörliga delar inblandade. Om den skalas upp, Tekniken skulle kunna ge tillräcklig spänning och ström för alla kustreningsverk. Överskottskraftproduktion kan till och med avledas till en närliggande industriverksamhet, såsom en avsaltningsanläggning.

"Det är en vetenskapligt elegant lösning på ett komplext problem, ", sa Dubrawski. "Det måste testas i skala, och det tar inte upp utmaningen att utnyttja blå energi på global skala – floder som rinner ut i havet – men det är en bra utgångspunkt som kan stimulera dessa framsteg."

För att bedöma batteriets fulla potential i kommunala avloppsanläggningar, forskarna arbetar på en skalad version för att se hur systemet fungerar med flera batterier som arbetar samtidigt.