Intensitas sumber daya alam yang menyediakan energi terbarukan bervariasi dari hari ke hari, serta musim ke musim. Musim semi membawa angin kencang untuk menjelajahi gurun dan mengisi sungai dengan pencairan salju. Musim panas identik dengan jam-jam panjang yang diterangi matahari sebelum hari-hari menjadi lebih pendek saat transisi musim gugur ke musim dingin.
Kita membutuhkan banyak cara untuk menyimpan energi terbarukan yang sesuai dengan cara kita menggunakannya, mulai dari baterai hingga sel bahan bakar. Baterai bekerja dengan baik untuk penyimpanan dengan durasi yang lebih pendek, dalam urutan jam hingga hari. Dari berbagai metode untuk menyimpan energi terbarukan, salah satu yang menonjol adalah menyediakan cara untuk mempertahankan energi selama berbulan-bulan dalam satu waktu: menyimpan energi dalam ikatan kimia molekul seperti hidrogen.
Melalui penelitian fundamental selama beberapa dekade, para ilmuwan di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) telah menyumbangkan informasi terperinci tentang bagaimana katalis membantu mengubah energi menjadi ikatan molekul, menyimpan energi dengan membuat ikatan dan melepaskannya dengan memutuskan ikatan.
Sekarang, tim yang dipimpin oleh ahli kimia dan Laboratory Fellow Tom Autrey bekerja untuk mengubah penyimpanan energi kimia menjadi pengaturan praktis yang suatu hari nanti dapat membantu lingkungan listrik, infrastruktur, dan industri. Untuk melakukan itu, tim mempelajari seluruh sistem, mulai dari katalis hingga reaktor hingga produk akhir—dan segala sesuatu di antaranya.
"Pekerjaan kami mempertimbangkan segalanya mulai dari elektron hingga dolar," kata ahli kimia Mark Bowden, kontributor lama untuk proyek tersebut. Tim interdisipliner menggabungkan pengetahuan di bidang kimia, teknik, teknoekonomi, dan perhitungan teoretis untuk menguji kelayakan praktis sistem penyimpanan energi kimia untuk penyimpanan skala besar.
Tim akan memiliki rumah yang mendukung di Pusat Ilmu Energi PNNL, yang dijadwalkan akan dibuka akhir tahun ini. Gedung ini akan menampung lebih dari 250 anggota staf dan seperangkat instrumen ilmiah canggih yang sebelumnya tersebar di sekitar kampus, mendorong lingkungan kolaboratif untuk membangun sejarah panjang kemajuan tim. Penelitian di Pusat Ilmu Energi juga akan mencakup pekerjaan yang berfokus pada pengembangan katalis baru untuk mengubah listrik menjadi ikatan kimia melalui Pusat Elektrokatalisis Molekuler.
Hidrogen sebagai titik awal
Diskusi yang melibatkan penyimpanan bahan kimia sering kali berkisar seputar hidrogen sebagai molekul paling menjanjikan dari semua kemungkinan, kata Autrey. Ini dapat diproduksi dengan memisahkan air menjadi gas hidrogen dan oksigen sebelum digunakan sebagai sumber energi bebas karbon. Dalam sel bahan bakar, hidrogen bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan listrik dan air.
Namun, menyimpan hidrogen murni sebagai gas atau cairan secara logistik sulit, membutuhkan tangki besar bertekanan tinggi atau suhu yang sangat rendah. Para peneliti sedang mengembangkan berbagai solusi penyimpanan alternatif untuk menahan hidrogen dalam molekul atau bahan.
Di PNNL, Autrey dan tim sedang mengembangkan sistem pembawa hidrogen yang memanfaatkan reaksi kimia untuk menambah dan menghilangkan hidrogen dari molekul stabil sesuai permintaan. Seluruh subbidang kimia mempelajari katalis yang melakukan penambahan dan penghilangan hidrogen. Peneliti PNNL mengkhususkan diri dalam merancang katalis yang memfasilitasi penyimpanan hidrogen dalam molekul seperti asam format, methylcyclohexane, dan butanediol, antara lain.
Ahli kimia PNNL Ba Tran memimpin pekerjaan menguji kesesuaian etanol yang kaya hidrogen, dikombinasikan dengan katalis yang sudah ada, untuk siklus dengan etil asetat untuk penyimpanan jangka panjang. Hidrogen tetap terikat pada etanol sampai dibutuhkan, ketika dapat dilepaskan untuk digunakan dan etanol diubah menjadi etil asetat. Katalis dapat menambahkan dua molekul hidrogen ke satu molekul etil asetat, menghasilkan dua molekul etanol stabil yang menyimpan hidrogen.
Analisis di luar lab
Selain memahami kimia dasar penambahan dan pelepasan hidrogen dari molekul lain, Tran dan rekan-rekannya memasukkan data dari pengukuran eksperimental dan simulasi molekuler tingkat lanjut ke dalam studi sistem skala besar. “Kami ingin melihat bagaimana proses penyimpanan hidrogen dalam etanol—dan bentuk penyimpanan energi kimia lainnya—akan berperilaku dalam sistem skala aplikasi,” kata ahli kimia teoretis Samantha Johnson.
Dalam studi etanol, misalnya, tim menganalisis desain reaktor pada skala yang relevan untuk penyimpanan energi musiman di lingkungan sekitar. Kimia reaksi bekerja dengan baik dan proyek tersebut mengajarkan tim pelajaran berharga tentang teknik yang diperlukan untuk sistem praktis, membawa mereka ke arah baru untuk mengeksplorasi pembawa hidrogen yang berbeda.
Mendasari penelitian dalam kenyataan
Baik mempelajari detail molekuler tentang cara kerja katalis hidrogenasi atau merekayasa sistem penyimpanan skala lingkungan, para peneliti selalu mengajukan pertanyaan yang akan membantu memindahkan penelitian dari lab ke dunia. Tim mengambil pendekatan siklus untuk pemecahan masalah, di mana bagian yang berbeda dari penelitian mereka menginformasikan satu sama lain dan menciptakan gambaran yang lebih lengkap tentang bagaimana sistem penyimpanan energi bekerja. Dan menyatukan para peneliti dengan latar belakang teknis yang beragam memungkinkan tim untuk mengidentifikasi masalah atau tantangan yang dapat dipecahkan untuk bidang penyimpanan energi yang lebih luas.
Suasana kolaboratif dan instrumentasi tambahan dari Pusat Ilmu Pengetahuan Energi baru cocok dengan pekerjaan yang dilakukan tim. Proyek mereka merupakan bagian dari berbagai penelitian terkait energi di PNNL yang akan dipercepat dengan kehadiran gedung baru. Pusat Ilmu Energi menyatukan para peneliti dengan spesialisasi berbeda untuk mendorong kolaborasi. Kata Autrey: “Kami ingin membantu menggerakkan masyarakat kita menuju masa depan yang berfokus pada energi terbarukan.”
Para peneliti mengakui dukungan dari Kantor Teknologi Sel Bahan Bakar dan Hidrogen dari Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan, melalui Konsorsium Penelitian Lanjutan Hidrogen (HyMARC), yang didirikan sebagai bagian dari Departemen Energi AS. Energi Jaringan Bahan.
