تختلف كثافة الموارد الطبيعية التي توفر الطاقة المتجددة من يوم لآخر ، وكذلك من موسم لآخر. يجلب الربيع رياحًا قوية تجوب الصحاري ويملأ الأنهار بذوبان الجليد. الصيف مرادف لساعات طويلة مضاءة بنور الشمس قبل تقصير الأيام مع انتقال الخريف إلى الشتاء.
نحن بحاجة إلى العديد من الطرق لتخزين الطاقة المتجددة التي تتناسب مع كيفية استخدامها ، من البطاريات إلى خلايا الوقود. تعمل البطاريات بشكل جيد للتخزين لمدة أقصر ، في حدود ساعات إلى أيام. من بين الطرق المختلفة لتخزين الطاقة المتجددة ، يبرز المرء لتوفير طريقة للاحتفاظ بالطاقة لأشهر في كل مرة: تخزين الطاقة في الروابط الكيميائية للجزيئات مثل الهيدروجين.
من خلال عقود من الأبحاث الأساسية ، ساهم العلماء في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) بمعلومات مفصلة حول كيفية مساعدة المحفزات في تحويل الطاقة إلى روابط جزيئية ، وتخزين الطاقة عن طريق تكوين الروابط وإطلاقها عن طريق كسر الروابط.
الآن ، يعمل فريق بقيادة الكيميائي وزميل المختبر توم أوتري على تحويل تخزين الطاقة الكيميائية إلى إعدادات عملية يمكن أن تساعد يومًا ما في توفير الطاقة للأحياء المجاورة والبنية التحتية والصناعة. للقيام بذلك ، يقوم الفريق بدراسة أنظمة كاملة ، من المحفزات إلى المفاعلات إلى المنتجات النهائية - وكل شيء بينهما.
قال الكيميائي مارك بودين ، أحد المساهمين القدامى في المشروع: "يأخذ عملنا في الاعتبار كل شيء من الإلكترونات إلى الدولارات". يجمع الفريق متعدد التخصصات بين المعرفة في الكيمياء والهندسة والاقتصاد التقني والحسابات النظرية لفحص الجدوى العملية لأنظمة تخزين الطاقة الكيميائية للتخزين على نطاق واسع.
سيكون للفريق منزل داعم في مركز علوم الطاقة في PNNL ، المقرر افتتاحه في وقت لاحق من هذا العام. سيستضيف المبنى أكثر من 250 موظفًا ومجموعة من الأدوات العلمية المتقدمة المنتشرة سابقًا في جميع أنحاء الحرم الجامعي ، مما يعزز بيئة تعاونية للبناء على تاريخ الفريق الطويل من التقدم. ستشمل الأبحاث في مركز علوم الطاقة أيضًا العمل الذي يركز على تطوير محفزات جديدة لتحويل الكهرباء إلى روابط كيميائية من خلال مركز التحفيز الكهربائي الجزيئي.
الهيدروجين كنقطة انطلاق
غالبًا ما تدور المناقشات التي تنطوي على تخزين المواد الكيميائية حول الهيدروجين باعتباره الجزيء الواعد من بين جميع الاحتمالات ، كما أشار أوتري. يمكن إنتاجه عن طريق تقسيم الماء إلى غازات هيدروجين وأكسجين قبل استخدامه كمصدر طاقة خالٍ من الكربون. في خلية الوقود ، يتحد الهيدروجين مع الأكسجين لإنتاج الكهرباء والماء.
ومع ذلك ، فإن تخزين الهيدروجين النقي كغاز أو سائل أمر صعب من الناحية اللوجستية ، ويتطلب إما خزانات كبيرة عالية الضغط أو درجات حرارة منخفضة للغاية. يقوم الباحثون بتطوير مجموعة متنوعة من حلول التخزين البديلة للاحتفاظ بالهيدروجين في الجزيئات أو المواد.
في PNNL ، يقوم Autrey والفريق بتطوير أنظمة حامل الهيدروجين التي تسخر التفاعلات الكيميائية لإضافة وإزالة الهيدروجين من الجزيئات المستقرة عند الطلب. يدرس حقل فرعي كامل من الكيمياء المحفزات التي تؤدي إضافة الهيدروجين وإزالته. يتخصص باحثو PNNL في تصميم المحفزات التي تسهل تخزين الهيدروجين في جزيئات مثل حمض الفورميك ، وميثيل سيكلوهكسان ، وبيوتانيديول ، من بين أمور أخرى.
قاد الكيميائي PNNL Ba Tran العمل لاختبار مدى ملاءمة الإيثانول الغني بالهيدروجين ، جنبًا إلى جنب مع محفز راسخ ، للدوران مع أسيتات الإيثيل للتخزين طويل الأجل. يظل الهيدروجين مرتبطًا بالإيثانول لحين الحاجة إليه ، وعندما يمكن إطلاقه للاستخدام وتحويل الإيثانول إلى أسيتات إيثيل. يمكن أن يضيف المحفز جزيئين من الهيدروجين إلى جزيء أسيتات إيثيل واحد ، مما ينتج جزيئين مستقرين من الإيثانول يخزنان الهيدروجين.
التحليل خارج المختبر
بالإضافة إلى فهم الكيمياء الأساسية لإضافة وإطلاق الهيدروجين من الجزيئات الأخرى ، قام تران وزملاؤه بدمج البيانات من القياسات التجريبية والمحاكاة الجزيئية المتقدمة في دراسات الأنظمة واسعة النطاق. قالت الكيميائي النظري سامانثا جونسون: "نريد أن نرى كيف ستتصرف عملية تخزين الهيدروجين في الإيثانول - والأشكال الأخرى لتخزين الطاقة الكيميائية - في نظام مقياس التطبيق".
في دراسة الإيثانول ، على سبيل المثال ، حلل الفريق تصميم مفاعل بمقياس مناسب لتخزين الطاقة الموسمية في أحد الأحياء. نجحت كيمياء التفاعلات بشكل جيد وقام المشروع بتعليم الفريق دروسًا قيمة حول الهندسة اللازمة لنظام عملي ، حيث أخذهم في اتجاهات جديدة لاستكشاف ناقلات الهيدروجين المختلفة.
أسس البحث في الواقع
سواء كانوا يدرسون التفاصيل الجزيئية لكيفية عمل محفز الهدرجة أو هندسة نظام تخزين على مستوى الحي ، فإن الباحثين يطرحون دائمًا أسئلة من شأنها أن تساعد في نقل البحث من المختبر إلى العالم. يتبع الفريق نهجًا دوريًا لحل المشكلات ، حيث تُعلم أجزاء مختلفة من أبحاثهم بعضها البعض وتكوين صورة أكثر اكتمالاً عن كيفية عمل نظام تخزين الطاقة. ويتيح الجمع بين الباحثين ذوي الخلفيات الفنية المتنوعة للفريق تحديد المشكلات أو التحديات التي يمكن حلها في مجال تخزين الطاقة الأوسع.
يتناسب الجو التعاوني والأجهزة الإضافية لمركز علوم الطاقة الجديد مع العمل الذي يؤديه الفريق. يعد مشروعهم جزءًا من مجموعة واسعة من الأبحاث المتعلقة بالطاقة في PNNL والتي سيتم تسريعها من خلال وجود المبنى الجديد. يجمع مركز علوم الطاقة بين الباحثين من مختلف التخصصات لتشجيع التعاون. سعيد أوتري: "نريد المساعدة في تحريك مجتمعنا نحو مستقبل يركز على الطاقة المتجددة."
يقر الباحثون بالدعم المقدم من مكتب تقنيات الهيدروجين وخلايا الوقود التابع لمكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ، من خلال اتحاد أبحاث الهيدروجين المتقدم (HyMARC) ، الذي تم إنشاؤه كجزء من وزارة الطاقة الأمريكية. الطاقة شبكة المواد.
