Nước sông và nước biển được sử dụng để tạo ra điện

Ông Yi Cui, giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu, dẫn đầu nhóm nghiên cứu cho biết bất cứ nơi nào nước ngọt chảy vào biển, chẳng hạn như cửa sông đều có thể là những địa điểm tiềm năng cho một nhà máy điện sử dụng pin. Các yếu tố hạn chế về mặt lý thuyết, là lượng nước ngọt có sẵn. “Chúng ta thực sự có một lượng nước biển khổng lồ, thật không may lượng nước ngọt lại không vô hạn”, ông nói.

Như một chỉ số về khả năng sản xuất điện của pin, nhóm của Cui đã tính toán rằng nếu tất cả các con sông trên thế giới được sử dụng, pin của họ có thể cung cấp khoảng 2 terawatts điện mỗi năm – đó là khoảng 13% lượng tiêu thụ năng lượng hiện tại của thế giới.

Bản thân pin có cấu tạo đơn giản, bao gồm hai điện cực – một dương, một âm – nhúng trong chất lỏng có chứa các hạt điện tích, hoặc các ion. Trong nước biển, các ion là natri và clo, các thành phần của muối ăn thông thường.

Ban đầu, pin được chứa nước nhạt và một dòng điện nhỏ được áp dụng để sạc pin. Nước nhạt sau đó được xả và thay thế bằng nước biển. Vì nước biển mặn, có chứa lượng ion lớn hơn từ 60 đến 100 lần so với nước nhạt, nó làm tăng điện áp giữa hai điện cực. Điều đó làm cho có thể thu được nhiều điện hơn lượng điện đã sử dụng để sạc pin lúc ban đầu.

“Điện áp thực sự phụ thuộc vào nồng độ ion Na và Clo mà bạn có”, Cui nói. “Nếu bạn nạp với điện áp thấp trong nước ngọt, sau đó xả pin ở điện áp cao trong nước biển, có nghĩa là chúng ta có được năng lượng. Năng lượng nhận được nhiều hơn năng lượng được đưa vào”.

Một khi việc xả pin hoàn tất, nước biển sẽ được tháo khỏi pin và thay thế bằng nước ngọt chu kỳ có thể bắt đầu trở lại. Chìa khóa ở đây là bạn cần phải trao đổi điện giải, chất lỏng trong pin” Cui nói. Ông là tác giả chính của một nghiên cứu đăng trong tạp chí Nano Letters đầu tháng này.

Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của họ, đội của Cui đã sử dụng nước biển mà họ thu được từ Thái Bình Dương ngoài bờ biển California và nước ngọt từ Hồ Donner trên cao ở Sierra Nevada. Họ đã đạt được hiệu suất 74 phần trăm trong việc chuyển đổi năng lượng tiềm ẩn trong pin sang dòng điện, nhưng Cui nghĩ rằng chỉ cần những sửa đổi đơn giản, pin có thể đạt hiệu suất 85 phần trăm.
Để nâng cao tính hiệu quả, điện cực dương của pin được làm từ các thanh nano của mangan dioxit. Điều đó làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc để tương tác với các ion natri bằng khoảng 100 lần so với các vật liệu khác. Các thanh nano giúp cho các ion natri di chuyển vào và ra khỏi điện cực một cách dễ dàng, đẩy nhanh tiến trình.

Các nhà nghiên cứu khác đã sử dụng sự tương phản mặn giữa nước nhạt và nước biển để sản xuất điện trước đây, nhưng những quy trình này thường đòi hỏi ion phải di chuyển qua màng tạo ra dòng điện. Cui cho biết những màng này có xu hướng mỏng manh, đó là một nhược điểm. Những phương pháp này cũng thường sử dụng chỉ một loại ion, trong khi pin của ông sử dụng cả ion natri và clo để tạo ra năng lượng.

Dioxit mangan được sử dụng để làm điện cực dương một phần bởi vì nó rất thân thiện với môi trường. Tính toán này là cần thiết vì cửa sông là khu vực hết sức nhạy cảm với các vấn đề môi trường bao gồm cả nhà máy phát điện.

“Bạn sẽ muốn chọn một địa điểm cách đó khá xa, hàng dặm, để đảm bảo giữ vững môi trượng sống quan trọng với các sinh vật. Bằng cách làm của mình, chúng tôi không cần phải xáo trộn toàn bộ hệ thống, chúng tôi chỉ cần đưa một số dòng sông thông chảy qua hệ thống của chúng tôi trước khi đến biển. Đơn giản chỉ như mượn và trả lại.

Quá trình tự nó nên có ít tác động môi trường. Nước xả sẽ là hỗn hợp của nước ngọt và nước biển, được thả vào một khu vực mà hai vùng nước đã được pha trộn, ở nhiệt độ tự nhiên.

Nhóm của ông đã ước tính cho các khu vực và các quốc gia khác nhau nhờ vậy xác định rằng Nam Mỹ, với dòng sông Amazon có tiềm năng nhất. Châu Phi, Canada, Hoa Kỳ và Ấn Độ cũng có nhiều con sông.

Nhà máy điện hoạt động với 50 mét khối nước ngọt / giây có thể sản xuất tới 100 megawatts, theo tính toán của nhóm nghiên cứu. Điều đó sẽ đủ cung cấp điện cho khoảng 100.000 hộ gia đình.