L'intensità delle risorse naturali che forniscono energia rinnovabile varia di giorno in giorno, così come di stagione in stagione. La primavera porta venti forti a perlustrare i deserti e riempie i fiumi di neve sciolta. L'estate è sinonimo di lunghe ore di sole prima che le giornate si accorciano mentre l'autunno passa all'inverno.
Abbiamo bisogno di una moltitudine di modi per immagazzinare energia rinnovabile che corrispondano al modo in cui la usiamo, dalle batterie alle celle a combustibile. Le batterie funzionano bene per la conservazione di breve durata, nell'ordine delle ore o dei giorni. Dei diversi metodi per immagazzinare l'energia rinnovabile, uno si distingue per fornire un modo per trattenere l'energia per mesi alla volta: immagazzinare energia nei legami chimici di molecole come l'idrogeno.
Attraverso decenni di ricerche fondamentali, gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno fornito informazioni dettagliate su come i catalizzatori aiutano a convertire l'energia in legami molecolari, immagazzinando l'energia creando legami e rilasciandola rompendo i legami.
Ora, un team guidato dal chimico e ricercatore di laboratorio Tom Autrey sta lavorando per trasformare l'immagazzinamento di energia chimica in configurazioni pratiche che un giorno potrebbero aiutare ad alimentare quartieri, infrastrutture e industria. Per fare ciò, il team sta studiando interi sistemi, dai catalizzatori ai reattori fino ai prodotti finali e tutto il resto.
"Il nostro lavoro considera tutto, dagli elettroni ai dollari", ha affermato il chimico Mark Bowden, un collaboratore di lunga data del progetto. Il team interdisciplinare combina conoscenze in chimica, ingegneria, tecnoeconomia e calcoli teorici per esaminare la fattibilità pratica dei sistemi di stoccaggio dell'energia chimica per lo stoccaggio su larga scala.
Il team avrà una sede di supporto nell'Energy Sciences Center del PNNL, la cui apertura è prevista entro la fine dell'anno. L'edificio ospiterà oltre 250 membri del personale e una suite di strumenti scientifici avanzati precedentemente sparsi nel campus, promuovendo un ambiente collaborativo per costruire sulla lunga storia di progressi del team. La ricerca presso l'Energy Sciences Center includerà anche lavori incentrati sullo sviluppo di nuovi catalizzatori per convertire l'elettricità in legami chimici attraverso il Center for Molecular Electrocatalysis.
L'idrogeno come punto di partenza
Le discussioni che coinvolgono lo stoccaggio chimico spesso ruotano intorno all'idrogeno come la molecola più promettente di tutte le possibilità, ha osservato Autrey. Può essere prodotto scindendo l'acqua in idrogeno e ossigeno prima di essere utilizzato come fonte di energia priva di carbonio. In una cella a combustibile, l'idrogeno si combina con l'ossigeno per produrre elettricità e acqua.
Tuttavia, lo stoccaggio dell'idrogeno puro come gas o liquido è logisticamente difficile, poiché richiede grandi serbatoi ad alta pressione o temperature molto basse. I ricercatori stanno sviluppando una varietà di soluzioni di stoccaggio alternative per contenere l'idrogeno in molecole o materiali.
Al PNNL, Autrey e il team stanno sviluppando sistemi di trasporto dell'idrogeno che sfruttano le reazioni chimiche per aggiungere e rimuovere l'idrogeno dalle molecole stabili su richiesta. Un intero sottocampo della chimica studia i catalizzatori che eseguono l'aggiunta e la rimozione dell'idrogeno. I ricercatori del PNNL sono specializzati nella progettazione di catalizzatori che facilitano la conservazione dell'idrogeno in molecole come acido formico, metilcicloesano e butandiolo, tra gli altri.
Il chimico del PNNL Ba Tran ha condotto un lavoro per testare l'idoneità dell'etanolo ricco di idrogeno, combinato con un catalizzatore consolidato, a circolare con acetato di etile per la conservazione a lungo termine. L'idrogeno rimane legato all'etanolo fino al momento del bisogno, quando può essere rilasciato per l'uso e l'etanolo convertito in acetato di etile. Il catalizzatore può aggiungere due molecole di idrogeno a una singola molecola di acetato di etile, producendo due molecole di etanolo stabili che immagazzinano gli idrogeni.
Analisi oltre il laboratorio
Oltre a comprendere la chimica fondamentale dell'aggiunta e del rilascio di idrogeno da altre molecole, Tran ei suoi colleghi hanno incorporato i dati delle misurazioni sperimentali e delle simulazioni molecolari avanzate negli studi di sistemi su larga scala. "Vogliamo vedere come si comporterebbe il processo di stoccaggio dell'idrogeno nell'etanolo e altre forme di stoccaggio dell'energia chimica in un sistema su scala applicativa", ha affermato la chimica teorica Samantha Johnson.
Nello studio sull'etanolo, ad esempio, il team ha analizzato il progetto di un reattore su una scala rilevante per lo stoccaggio di energia stagionale in un quartiere. La chimica delle reazioni ha funzionato bene e il progetto ha insegnato al team preziose lezioni sull'ingegneria necessaria per un sistema pratico, portandoli in nuove direzioni per esplorare diversi vettori di idrogeno.
Fondare la ricerca nella realtà
Che si studino i dettagli molecolari di come funziona un catalizzatore di idrogenazione o si progetta un sistema di stoccaggio su scala locale, i ricercatori si pongono sempre domande che aiuteranno a spostare la ricerca dal laboratorio al mondo. Il team adotta un approccio ciclico alla risoluzione dei problemi, in cui diverse parti della loro ricerca si informano a vicenda e creano un quadro più completo di come funziona un sistema di accumulo di energia. E riunire ricercatori con diversi background tecnici consente al team di identificare problemi o sfide risolvibili per il più ampio campo dello stoccaggio di energia.
L'atmosfera collaborativa e la strumentazione aggiuntiva del nuovo Centro di Scienze Energetiche si adatta al lavoro svolto dal team. Il loro progetto fa parte dell'ampia gamma di ricerche relative all'energia al PNNL che sarà accelerata dalla presenza del nuovo edificio. L'Energy Sciences Center riunisce ricercatori con diverse specialità per incoraggiare la collaborazione. Ha detto Autrey: "Vogliamo aiutare a spostare la nostra società verso un futuro incentrato sulle energie rinnovabili".
I ricercatori riconoscono il supporto dell'Ufficio per le tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile dell'Ufficio per l'efficienza energetica e l'energia rinnovabile, attraverso il Consorzio di ricerca avanzata per l'idrogeno (HyMARC), istituito come parte del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti Energia Rete di materiali.
