Die Intensität der natürlichen Ressourcen, die erneuerbare Energie liefern, variiert von Tag zu Tag sowie von Saison zu Saison. Der Frühling bringt starke Winde, um die Wüsten zu durchkämmen und Flüsse mit Schneeschmelze zu füllen. Der Sommer ist gleichbedeutend mit langen sonnenbeschienenen Stunden, bevor sich die Tage verkürzen, wenn der Herbst in den Winter übergeht.
Wir brauchen eine Vielzahl von Möglichkeiten, erneuerbare Energie zu speichern, die zu unserer Nutzung passt, von der Batterie bis zur Brennstoffzelle. Batterien eignen sich gut für kürzere Lagerungszeiten in der Größenordnung von Stunden bis Tagen. Von den verschiedenen Methoden zur Speicherung erneuerbarer Energie sticht eine hervor, die Energie über Monate speichern kann: die Speicherung von Energie in den chemischen Bindungen von Molekülen wie Wasserstoff.
Durch jahrzehntelange Grundlagenforschung haben Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) detaillierte Informationen darüber beigetragen, wie Katalysatoren dabei helfen, Energie in molekulare Bindungen umzuwandeln, die Energie zu speichern, indem sie Bindungen bilden und sie freisetzen, indem sie Bindungen aufbrechen.
Jetzt arbeitet ein Team unter der Leitung des Chemikers und Laboratory Fellow Tom Autrey daran, chemische Energiespeicher in praktische Einrichtungen umzuwandeln, die eines Tages dazu beitragen könnten, Nachbarschaften, Infrastruktur und Industrie mit Strom zu versorgen. Dafür untersucht das Team ganze Systeme, von Katalysatoren über Reaktoren bis hin zu Endprodukten – und alles dazwischen.
„Unsere Arbeit berücksichtigt alles, von Elektronen bis hin zu Dollar“, sagte der Chemiker Mark Bowden, ein langjähriger Mitarbeiter des Projekts. Das interdisziplinäre Team kombiniert Kenntnisse in Chemie, Ingenieurwissenschaften, Technoökonomie und theoretischen Berechnungen, um die Praxistauglichkeit chemischer Energiespeicher für Großspeicher zu untersuchen.
Das Team wird ein unterstützendes Zuhause im Energy Sciences Center von PNNL haben, das noch in diesem Jahr eröffnet werden soll. Das Gebäude wird über 250 Mitarbeiter und eine Reihe fortschrittlicher wissenschaftlicher Instrumente beherbergen, die zuvor über den Campus verstreut waren, und eine kollaborative Umgebung fördern, um auf der langen Geschichte des Fortschritts des Teams aufzubauen. Die Forschung am Zentrum für Energiewissenschaften umfasst auch Arbeiten, die sich auf die Entwicklung neuer Katalysatoren für die Umwandlung von Elektrizität in chemische Bindungen durch das Zentrum für molekulare Elektrokatalyse konzentrieren.
Wasserstoff als Ausgangspunkt
Diskussionen um die chemische Speicherung drehen sich oft um Wasserstoff als das vielversprechendste Molekül aller Möglichkeiten, bemerkte Autrey. Es kann hergestellt werden, indem Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffgase gespalten wird, bevor es als kohlenstofffreie Energiequelle verwendet wird. In einer Brennstoffzelle verbindet sich Wasserstoff mit Sauerstoff zu Strom und Wasser.
Die Speicherung von reinem Wasserstoff als Gas oder Flüssigkeit ist jedoch logistisch schwierig und erfordert entweder große Hochdrucktanks oder sehr niedrige Temperaturen. Forscher entwickeln eine Vielzahl alternativer Speicherlösungen, um Wasserstoff in Molekülen oder Materialien zu speichern.
Am PNNL entwickeln Autrey und das Team Wasserstoffträgersysteme, die chemische Reaktionen nutzen, um bei Bedarf Wasserstoff zu stabilen Molekülen hinzuzufügen und zu entfernen. Ein ganzes Teilgebiet der Chemie untersucht die Katalysatoren, die Wasserstoffaddition und -entfernung durchführen. PNNL-Forscher sind auf die Entwicklung von Katalysatoren spezialisiert, die die Speicherung von Wasserstoff in Molekülen wie Ameisensäure, Methylcyclohexan und Butandiol unter anderem erleichtern.
Der PNNL-Chemiker Ba Tran leitete die Arbeit, um die Eignung von wasserstoffreichem Ethanol in Kombination mit einem etablierten Katalysator für den Zyklus mit Ethylacetat für die Langzeitlagerung zu testen. Wasserstoff bleibt an das Ethanol gebunden, bis er benötigt wird, dann kann er zur Verwendung freigesetzt und das Ethanol in Ethylacetat umgewandelt werden. Der Katalysator kann einem einzelnen Ethylacetat-Molekül zwei Wasserstoffmoleküle hinzufügen, wodurch zwei stabile Ethanolmoleküle erzeugt werden, die den Wasserstoff speichern.
Analyse über das Labor hinaus
Tran und seine Kollegen haben nicht nur die grundlegende Chemie der Zugabe und Freisetzung von Wasserstoff aus anderen Molekülen verstanden, sondern auch Daten aus experimentellen Messungen und fortgeschrittenen molekularen Simulationen in Studien größerer Systeme integriert. „Wir wollen sehen, wie sich der Prozess der Speicherung von Wasserstoff in Ethanol – und anderen Formen der chemischen Energiespeicherung – in einem System im Anwendungsmaßstab verhalten würde“, sagte die theoretische Chemikerin Samantha Johnson.
In der Ethanolstudie analysierte das Team beispielsweise ein Reaktordesign in einem Maßstab, der für die saisonale Energiespeicherung in einer Nachbarschaft relevant ist. Die Chemie der Reaktionen funktionierte gut und das Projekt lehrte das Team wertvolle Lektionen über die für ein praktisches System erforderliche Technik und führte sie in neue Richtungen, um verschiedene Wasserstoffträger zu erforschen.
Erdungsforschung in der Realität
Ob die molekularen Details der Funktionsweise eines Hydrierungskatalysators untersucht oder ein Speichersystem im Nachbarschaftsmaßstab entwickelt werden – die Forscher stellen immer wieder Fragen, die dazu beitragen, die Forschung aus dem Labor in die Welt zu bringen. Das Team verfolgt einen zyklischen Ansatz zur Problemlösung, bei dem sich verschiedene Teile ihrer Forschung gegenseitig informieren und ein vollständigeres Bild der Funktionsweise eines Energiespeichersystems erstellen. Und die Zusammenführung von Forschern mit unterschiedlichem technischen Hintergrund ermöglicht es dem Team, lösbare Probleme oder Herausforderungen für das breitere Feld der Energiespeicherung zu identifizieren.
Die kollaborative Atmosphäre und die zusätzliche Instrumentierung des neuen Energy Sciences Center passen zu der Arbeit des Teams. Ihr Projekt ist Teil des breiten Spektrums der energiebezogenen Forschung am PNNL, das durch den Neubau beschleunigt wird. Das Energy Sciences Center bringt Forscher unterschiedlicher Fachrichtungen zusammen, um die Zusammenarbeit zu fördern. Autrey sagte: „Wir wollen dazu beitragen, unsere Gesellschaft in eine Zukunft zu führen, die auf erneuerbare Energien ausgerichtet ist.“
Die Forscher bestätigen die Unterstützung durch das Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office des Office of Energy Efficiency and Renewable Energy durch das Hydrogen Advanced Research Consortium (HyMARC), das als Teil des US-Energieministeriums gegründet wurde Energie Material Netzwerk.
