עוצמת משאבי הטבע המספקים אנרגיה מתחדשת משתנה מיום ליום, כמו גם מעונה לעונה. האביב מביא רוחות עזות לסקור את המדבריות וממלא נהרות בהמסת שלג. הקיץ הוא שם נרדף לשעות ארוכות של שמש לפני שהימים מתקצרים ככל שהסתיו עובר לחורף.
אנו זקוקים להרבה דרכים לאחסון אנרגיה מתחדשת התואמות את אופן השימוש בה, החל מסוללות לתאי דלק. הסוללות פועלות היטב לאחסון משך זמן קצר יותר, בסדר גודל של שעות עד ימים. מבין השיטות השונות לאחסון אנרגיה מתחדשת, אחד בולט במתן דרך לאחוז באנרגיה במשך חודשים בכל פעם: אחסון אנרגיה בקשרים הכימיים של מולקולות כמו מימן.
במשך עשרות שנים של מחקר יסודי, מדענים במעבדה הלאומית של האוקיינוס השקט (PNNL) תרמו מידע מפורט על האופן שבו זרזים מסייעים להמיר אנרגיה לקשרים מולקולריים, מאחסנים את האנרגיה על ידי יצירת קשרים ושחרורם על ידי שבירת קשרים.
כעת, צוות בראשותו של הכימאי וחבר המעבדה טום אוטרי פועל להפוך את אחסון האנרגיה הכימית למערכות מעשיות שיכולות יום אחד לסייע לשכונות, לתשתיות ולתעשייה. לשם כך, הצוות לומד מערכות שלמות, החל מזרזים ועד כורים ועד לתוצרי קצה - וכל מה שביניהם.
"העבודה שלנו מתייחסת לכל דבר, החל מאלקטרונים ועד דולר", אמר הכימאי מארק באודן, תורם ותיק בפרויקט. הצוות הבינתחומי משלב ידע בכימיה, הנדסה, טכנולוגיה-כלכלה וחישובים תיאורטיים לבחינת הכדאיות המעשית של מערכות אחסון אנרגיה כימית לאחסון בקנה מידה גדול.
לצוות יהיה בית תומך במרכז מדעי האנרגיה של PNNL, שאמור להיפתח מאוחר יותר השנה. הבניין יארח למעלה מ -250 אנשי צוות וחבילה של מכשירים מדעיים מתקדמים שפזורים בעבר בקמפוס, וטיפחו סביבה שיתופית לבנות על ההיסטוריה הארוכה של הצוות. המחקר במרכז למדעי האנרגיה יכלול גם עבודה המתמקדת בפיתוח זרזים חדשים להמרת חשמל לקשרים כימיים באמצעות המרכז לאלקטרו -קטליזה מולקולרית.
מימן כנקודת המוצא
דיונים הקשורים לאחסון כימי סובבים לעתים קרובות סביב מימן כמולקולה המבטיחה מכל האפשרויות, ציין אוטרי. ניתן לייצר אותו על ידי פיצול מים לגזי מימן וחמצן לפני השימוש בו כמקור אנרגיה נטול פחמן. בתא דלק, מימן משתלב עם חמצן כדי לייצר חשמל ומים.
עם זאת, אחסון מימן טהור כגז או נוזל הוא לוגיסטי קשה, הדורש מיכלים גדולים בלחץ גבוה או טמפרטורות נמוכות מאוד. חוקרים מפתחים מגוון פתרונות אחסון חלופיים לאחסון מימן במולקולות או בחומרים.
ב- PNNL, Autrey והצוות מפתחים מערכות נושאות מימן אשר רותמות תגובות כימיות להוספה והסרה של מימן ממולקולות יציבות לפי דרישה. תת -תחום שלם של הכימיה בוחן את הזרזים המבצעים הוספה והסרה של מימן. חוקרי PNNL מתמחים בעיצוב זרזים המאפשרים אחסון מימן במולקולות כגון חומצה פורמית, מתילציקלוהקסאן ובוטאנדיול, בין היתר.
הכימאי PNNL בא טראן הוביל את עבודת בדיקת התאמתו של אתנול עשיר במימן, בשילוב עם זרז מבוסס, למחזור עם אתיל אצטט לאחסון לטווח ארוך. מימן נשאר קשור לאתנול עד הצורך, כאשר ניתן לשחרר אותו לשימוש ולהפוך אתנול לאתיל אצטט. הזרז יכול להוסיף שתי מולקולות מימן למולקולת אתיל אצטט אחת, ולייצר שתי מולקולות אתנול יציבות המאחסנות את המימנים.
ניתוח מעבר למעבדה
בנוסף להבנת הכימיה הבסיסית של הוספת ושחרור מימן ממולקולות אחרות, הטראן ועמיתיו שילבו נתונים ממדידות ניסיוניות והדמיות מולקולריות מתקדמות במחקרים של מערכות בקנה מידה גדול יותר. "אנו רוצים לראות כיצד תהליך אחסון המימן באתנול-וצורות אחרות של אחסון אנרגיה כימית-יתנהג במערכת בקנה מידה של יישומים", אמרה הכימאית התיאורטית סמנתה ג'ונסון.
במחקר האתנול, למשל, הצוות ניתח עיצוב כור בקנה מידה רלוונטי לאחסון אנרגיה עונתית בשכונה. הכימיה של התגובות עבדה היטב והפרויקט לימד את הצוות שיעורים יקרים על ההנדסה הדרושה למערכת מעשית, והוביל אותם לכיוונים חדשים כדי לחקור נושאי מימן שונים.
מחקר מבוסס במציאות
בין אם לומדים את הפרטים המולקולריים של אופן הפעולה של זרז הידרוגנציה או הנדסת מערכת אחסון בקנה מידה שכונתי, החוקרים תמיד שואלים שאלות שיעזרו להעביר מחקר מהמעבדה לעולם. הצוות נוקט בגישה מחזורית לפתרון בעיות, כאשר חלקים שונים מהמחקר שלהם מודיעים זה את זה ויוצרים תמונה מלאה יותר של אופן פעולתה של מערכת אחסון אנרגיה. חיבור חוקרים בעלי רקע טכני מגוון מאפשר לצוות לזהות בעיות או אתגרים הניתנים לפתרון בתחום אחסון האנרגיה הרחב יותר.
האווירה השיתופית והמכשור הנוסף של המרכז החדש למדעי האנרגיה משתלבים בעבודה שהצוות מבצע. הפרויקט שלהם הוא חלק מהמגוון הרחב של מחקר הקשור לאנרגיה ב- PNNL שיואץ בנוכחות הבניין החדש. המרכז למדעי האנרגיה מפגיש חוקרים בעלי התמחויות שונות לעידוד שיתוף פעולה. אמר אוטרי: "אנו רוצים לעזור להניע את החברה שלנו לעתיד המתמקד באנרגיה מתחדשת."
החוקרים מכירים בתמיכה ממשרד הטכנולוגיות של מימן ותאי דלק של משרד יעילות האנרגיה והאנרגיה המתחדשת, באמצעות קונסורציום המחקר המתקדם של מימן (HyMARC), שהוקם כחלק ממשרד האנרגיה האמריקאי. אנרגיה רשת חומרים.
