ローレンス・リバモア国立研究所の報告によると、国として、私たちがエネルギーに使うものの半分以上が無駄になります。
主な原因の1つは熱です。 製鉄所などの工場は、熱の形で膨大な量のエネルギーを放出しますが、ほとんどの場合、その熱は大気中に逃げてしまい、あまり効果がありません。
しかし、マサチューセッツ工科大学とスタンフォード大学の間で協力して働いている科学者のチームは、熱電効果と呼ばれるあまり知られていない原理を利用して、熱排気を利用してグリッドに戻す新しいタイプのバッテリーを開発しました。
これまで、廃熱の変換に関する研究の大部分は熱電発電に焦点を合わせてきました。 たとえば、熱電発電機はここ数年で人気が高まっています。 システムは、金属などの導電性材料の高温側から低温側に電子を移動します。 そこに電子が流れると、デバイスに電力を供給したり、バッテリーを充電したりできます。 発電機は、無人の研究サイトのバックアップ電源として、さらには火星の好奇心ローバーの再生可能電源としても、ガスパイプラインの無線および遠隔測定システムなどに電力を供給するために使用されます。
このシステムは非常によく知られ、研究されているため、人気のBioLite CampStoveを含む消費者向け製品ですでに使用されています。
しかし、新しいバッテリーの開発をリードしたスタンフォードのYi Cui教授によると、熱電発電機は、キャンプファイヤーのように熱くならない大規模な植物や工場からエネルギーを適切に収穫することはできません。
たとえば、製鉄所から出る廃熱は、熱電反応が機能するのに十分なほど熱くありません（または、バッテリーを十分に冷却できません）。
熱電学の深いバックグラウンドを持つ研究者であるGang Chen率いるMITのチームと密接に協力して、Cuiは代わりにいわゆる「低グレード」熱を念頭に置いて設計されたバッテリーを開発しました。
新しいコンセプトは、正と負の電極を持つかなり標準的な水ベースのバッテリーを中心にしています。 チームは多くの廃熱のあるエリアに空のバッテリーを置き、それを充電し始めました。 バッテリーが完全に充電されると、彼らはそれを室温まで冷却し、その時点で放電されました。冷却されたバッテリーは、入れられたよりも多くのエネルギーを放電できます。
それが仕事での熱電現象です。
「温度の変化は自由エネルギーの変化を引き起こし、ワット数は大きく変化します」とCui氏は言います。 実際には、バッテリーは廃熱からエネルギーを奪っています。そうでなければ、グリッドにフィードバックされる可能性のある無駄なエネルギーです。
バッテリーは、熱電システムとは異なり、充電するのに直流を必要とするため、現在完全にオフグリッドにすることはできません。 ただし、それを行うには、グリッドからより少ない電力を引き出す必要があるという考えです。
チームは、バッテリーの加熱と冷却の速さと、電池が消費されるまでのサイクル回数を実験しています。 ラボでは、バッテリーが1回の充放電サイクルを完了するのに数時間かかります。 チームは、単一のセルを50サイクル以上プッシュしていません。
現時点では、Cuiのようなシステムがどれだけの電力を生成できるかについて明確な感覚はありません。 Cuiは最終的に、工場に設置できるいくつかのセルの回路を想定しています。 あるセルの温度が廃熱にさらされて上昇すると、別のセルが冷却サイクルに入ります。
「それらの半分は高温で充電され、半分は低温で放電されます」と彼は言います。
現時点では、主な目標は工場で生産された廃熱ですが、Cuiはこのシステムが将来どこにでも適用できると考えています。 チームは、暖炉やオーブンで生成される熱レベルなど、より高い熱レベルに熱電効果を適用できる可能性のある他のバッテリー材料を試すこともできます。
エネルギーハーベスティングシステムがすでに海外で一般的になりつつある時期に、Cui'sのようなシステムは、米国のエネルギーの新しい領域を探索するために非常に貴重であると証明できるでしょう。 今後数年以内に、ロンドン地下鉄からの熱は約1, 400の家を暖めるために使用されます。 そして、デンマークのエネルギーの多くは廃熱から来ています。
このような発明により、追いつくことができました。
