Bylting í orkumálum

Ný tegund rafhlaða virðist líkleg til að geta valdið byltingu í orkumálum. Dr. Rauan Meirbekova er verkefnastjóri hjá Háskólanum í Reykjavík en hún flutti á dögunum erindi á málstofu hjá HR og leiddi gesti í allan sannleik um rafhlöður úr fljótandi málmum (e. liquid metal batteries). Um er að ræða uppfinningu vísindamanna við MIT-háskólann en til stendur að opna rannsóknarstofu hjá HR þar sem gera mætti tilraunir með rafefnafræði málma við hátt hitastig, líkt og nýju rafhlöðurnar byggja á.

HR hefur undanfarið, með stuðningi Samfélagssjóðs Alcoa, staðið fyrir röð málstofa um efnisverkfræði. Verður sú næsta haldinn 11. maí, og umfjöllunarefnið þar áskoranir í efnisfræði við nýtingu jarðhitaorku. Ásgeir Ingvarsson ræddi við Rauan fyrir Morgunblaðið og má lesa viðtalið hér. 

„Aðalhindrunin í notkun endurnýjanlegra orkugjafa á borð við vindorku og sólarorku er að raforkan er framleidd þegar sólin skín og vindurinn blæs, en þá er ekki endilega þörf fyrir orkuna. Því þarf að vera hægt að geyma orkuna og losa hana svo þegar eftirspurn er eftir henni. Orkugeymslan þarf að vera ódýr, hún þarf að geta geymt mikið magn og losað það hratt,“ segir Rauan, en það var Donald Sadoway prófessor við MIT sem hugkvæmdist að nota mætti málma í fljótandi formi til að búa til ódýrari, kröftugri og endingarbetri rafhlöður en áður hafa þekkst.

„Hugmyndin kom frá framleiðsluferli áls. Þar er súrál leyst upp í raflausn úr bráðnu salti. Rafstraumi er hleypt í gegnum bráðina svo álið skilur sig frá og safnast fyrir á botninum. Þetta kallast rafgreining, en er í raun ferli sambærilegt því þegar rafhlöður eru hlaðnar. Sadoway sá fyrir sér að með svipuðu ferli og ódýrum efnum mætti búa til rafhlöðu.“

Viðnámið býr til hitann

Við hleðslu geyma rafhlöður raforku með því að breyta henni í efnaorku, og losa efnaorkuna aftur sem raforku þegar þörf krefur. Rafhlöður innihalda tvö eða fleiri efni með ólíka hleðslueiginleika og efnahvörf á milli þessara efna losa út rafmagnsstraum. Rauan segir best að líkja rafhlöðum úr fljótandi málmum við samloku, þar sem einn málmur er neðst, annar málmur efst og á milli er salt í fljótandi formi sem flytur straum á milli málmanna.

Þessari blöndu er komið fyrir í lokuðu kerfi sem kemur í veg fyrir að hiti sleppi út eða að heitur málmurinn leki úr rafhlöðunni. „Þegar rafstraumi er hleypt á rafhlöðuna mætir straumurinn viðnámi í málminum sem losar nægilega mikinn varma til að málmurinn haldist fljótandi. Í rafhlöðuna eru valin efni með mismunandi eðlisþyngd og haldast málmarnir og saltið því aðskilin, og fljóta léttari efnin ofan á þeim þyngri,“ útskýrir Rauan.

Fræðimennirnir við MIT hafa sett fyrirtækið Ambri á laggirnar til að halda utan um þróun og smíði rafhlaðanna. Verkefnið hefur vakið mikla athygli fjárfesta sem lagt hafa tugi milljóna dala í Ambri og tilraunir gengið vel. Segir Rauan að vinnan hafi m.a. falist í því að finna málma sem hafa lágt bræðslustig en rétta efniseiginleika svo að rafhlaðan geti virkað sem best við sem lægst hitastig. Nokkrar samsetningar málma hafa verið prófaðar en sú sem gefið hefur besta raun er rafhlaða úr liþíum, antímón og blýi og virkar rafhlaðan þá vel við um 450°C hita. Aðrar samsetningar geta virkað við hitastig niður í 270°C og gætu komið til greina í framhaldinu. „Þróunin hefur gengið mjög hratt fyrir sig og má vænta þess að eftir aðeins 2-3 ár verði fyrstu Ambri rafhlöðurnar komnar í almenna notkun. Jafnframt eru fleiri rannsóknarhópar í öðrum löndum að þróa tækni byggða á þessum hugmyndum.“

Ódýr og endingargóð

Þar sem um er að ræða fljótandi málm þá er engin uppbygging í efninu sem getur brotnað niður við endurtekna hleðslu og afhleðslu. Því hafa rafhlöður úr fljótandi málmi lengri líftíma en aðrar endurhlaðanlegar rafhlöður. Þær eru jafnframt gerðar úr ódýrari efnum og geta, eins og fyrr var nefnt, losað mikla orku hratt. Segir Rauan að helsti veikleiki þessarar hönnunar sé að þar sem rafhlaðan er í fljótandi formi henti hún ekki í farartækjum á borð við rafmagnsbíla.

„Er hægt að ímynda sér að svona rafhlöður geti t.d. gegnt hlutverki varaaflstöðva í orkufrekum iðnaði. En mest verða notin á þeim svæðum þar sem raforkuframleiðsla reiðir sig á sveiflukennda endurnýjanlega orkugjafa eins og sólarorku og vindorku. Er hægt að hlaða orku á rafhlöðurnar meðan sólar og vinds nýtur en tappa orkunni af fyrirvaralaust þegar hennar er þörf í kerfinu.“