L'intensité des ressources naturelles qui fournissent de l'énergie renouvelable varie d'un jour à l'autre, ainsi que d'une saison à l'autre. Le printemps apporte des vents violents pour parcourir les déserts et remplit les rivières de fonte des neiges. L'été est synonyme de longues heures ensoleillées avant que les jours ne raccourcissent à mesure que l'automne se transforme en hiver.
Nous avons besoin d'une multitude de moyens de stocker l'énergie renouvelable qui correspondent à la façon dont nous l'utilisons, des batteries aux piles à combustible. Les batteries fonctionnent bien pour un stockage de courte durée, de l'ordre de quelques heures à quelques jours. Parmi les différentes méthodes de stockage d'énergie renouvelable, l'une se distingue par un moyen de conserver l'énergie pendant des mois : le stockage de l'énergie dans les liaisons chimiques de molécules telles que l'hydrogène.
Grâce à des décennies de recherche fondamentale, les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont fourni des informations détaillées sur la façon dont les catalyseurs aident à convertir l'énergie en liaisons moléculaires, en stockant l'énergie en créant des liaisons et en la libérant en rompant les liaisons.
Aujourd'hui, une équipe dirigée par le chimiste et membre du laboratoire Tom Autrey s'efforce de transformer le stockage d'énergie chimique en configurations pratiques qui pourraient un jour aider à alimenter les quartiers, les infrastructures et l'industrie. Pour ce faire, l'équipe étudie des systèmes entiers, des catalyseurs aux réacteurs en passant par les produits finis, et tout le reste.
"Notre travail prend en compte tout, des électrons aux dollars", a déclaré le chimiste Mark Bowden, un contributeur de longue date du projet. L'équipe interdisciplinaire combine des connaissances en chimie, ingénierie, technoéconomie et calculs théoriques pour examiner la viabilité pratique des systèmes de stockage d'énergie chimique pour le stockage à grande échelle.
L'équipe aura une maison de soutien au Centre des sciences de l'énergie du PNNL, dont l'ouverture est prévue plus tard cette année. Le bâtiment accueillera plus de 250 membres du personnel et une suite d'instruments scientifiques avancés auparavant dispersés sur le campus, favorisant un environnement collaboratif pour s'appuyer sur la longue histoire de progrès de l'équipe. La recherche au Centre des sciences de l'énergie comprendra également des travaux axés sur le développement de nouveaux catalyseurs pour convertir l'électricité en liaisons chimiques par le biais du Centre d'électrocatalyse moléculaire.
L'hydrogène comme point de départ
Les discussions concernant le stockage chimique tournent souvent autour de l'hydrogène comme molécule la plus prometteuse de toutes les possibilités, a noté Autrey. Il peut être produit en divisant l'eau en gaz hydrogène et oxygène avant d'être utilisé comme source d'énergie sans carbone. Dans une pile à combustible, l'hydrogène se combine avec l'oxygène pour produire de l'électricité et de l'eau.
Cependant, le stockage de l'hydrogène pur sous forme de gaz ou de liquide est logistiquement difficile, nécessitant soit de grands réservoirs à haute pression, soit des températures très basses. Les chercheurs développent une variété de solutions de stockage alternatives pour conserver l'hydrogène dans des molécules ou des matériaux.
Au PNNL, Autrey et son équipe développent des systèmes de transport d'hydrogène qui exploitent des réactions chimiques pour ajouter et retirer de l'hydrogène des molécules stables à la demande. Un sous-domaine entier de la chimie étudie les catalyseurs qui effectuent l'ajout et l'élimination d'hydrogène. Les chercheurs du PNNL se spécialisent dans la conception de catalyseurs qui facilitent le stockage de l'hydrogène dans des molécules telles que l'acide formique, le méthylcyclohexane et le butanediol, entre autres.
Le chimiste du PNNL, Ba Tran, a dirigé les travaux de test de l'aptitude de l'éthanol riche en hydrogène, combiné à un catalyseur établi, à cycler avec de l'acétate d'éthyle pour un stockage à long terme. L'hydrogène reste lié à l'éthanol jusqu'à ce qu'il soit nécessaire, lorsqu'il peut être libéré pour être utilisé et l'éthanol converti en acétate d'éthyle. Le catalyseur peut ajouter deux molécules d'hydrogène à une seule molécule d'acétate d'éthyle, produisant deux molécules d'éthanol stables qui stockent les hydrogènes.
Analyse au-delà du laboratoire
En plus de comprendre la chimie fondamentale de l'ajout et de la libération d'hydrogène à partir d'autres molécules, Tran et ses collègues ont incorporé des données de mesures expérimentales et de simulations moléculaires avancées dans des études de systèmes à plus grande échelle. "Nous voulons voir comment le processus de stockage de l'hydrogène dans l'éthanol - et d'autres formes de stockage d'énergie chimique - se comporterait dans un système à l'échelle de l'application", a déclaré la chimiste théoricienne Samantha Johnson.
Dans l'étude sur l'éthanol, par exemple, l'équipe a analysé une conception de réacteur à une échelle pertinente pour le stockage saisonnier d'énergie dans un quartier. La chimie des réactions a bien fonctionné et le projet a enseigné à l'équipe de précieuses leçons sur l'ingénierie nécessaire pour un système pratique, les emmenant dans de nouvelles directions pour explorer différents transporteurs d'hydrogène.
Ancrer la recherche dans la réalité
Qu'il s'agisse d'étudier les détails moléculaires du fonctionnement d'un catalyseur d'hydrogénation ou de concevoir un système de stockage à l'échelle du quartier, les chercheurs posent toujours des questions qui aideront à faire passer la recherche du laboratoire au monde. L'équipe adopte une approche cyclique de la résolution de problèmes, où différentes parties de leurs recherches s'informent mutuellement et créent une image plus complète du fonctionnement d'un système de stockage d'énergie. Et réunir des chercheurs avec des formations techniques diverses permet à l'équipe d'identifier des problèmes ou des défis pouvant être résolus pour le domaine plus large du stockage d'énergie.
L'atmosphère collaborative et l'instrumentation supplémentaire du nouveau Centre des sciences de l'énergie cadrent avec le travail effectué par l'équipe. Leur projet s'inscrit dans le large éventail de recherches liées à l'énergie au PNNL qui seront accélérées par la présence du nouveau bâtiment. Le Centre des sciences de l'énergie rassemble des chercheurs de différentes spécialités pour favoriser les collaborations. A déclaré Autrey: "Nous voulons aider à faire avancer notre société vers un avenir axé sur les énergies renouvelables."
Les chercheurs reconnaissent le soutien de l'Office des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible de l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables, par l'intermédiaire du Consortium de recherche avancée sur l'hydrogène (HyMARC), établi dans le cadre du département américain de l'Énergie LIVRAISON Réseau de matériaux.
