再生可能エネルギーを提供する天然資源の強度は、季節ごとだけでなく、日々変化します。 春は強風をもたらし、砂漠を洗い流し、川を融雪で満たします。 夏は、秋が冬に移行するにつれて日が短くなる前の長い太陽に照らされた時間と同義です。
バッテリーから燃料電池まで、私たちの使用方法に合った再生可能エネルギーを貯蔵するためのさまざまな方法が必要です。 バッテリーは、数時間から数日程度の短期間の保管に適しています。 再生可能エネルギーを貯蔵するためのさまざまな方法の中で、一度に数か月間エネルギーを保持する方法を提供することで際立っています。水素などの分子の化学結合にエネルギーを貯蔵することです。
パシフィックノースウェスト国立研究所（PNNL）の科学者は、何十年にもわたる基礎研究を通じて、触媒がエネルギーを分子結合に変換し、結合を作ることでエネルギーを蓄積し、結合を切断することでエネルギーを放出する方法について詳細な情報を提供してきました。
現在、化学者で実験室のフェローであるトム・オートリーが率いるチームは、化学エネルギー貯蔵を、いつか近所、インフラストラクチャ、および産業に電力を供給するのに役立つ可能性のある実用的なセットアップに変えるために取り組んでいます。 そのために、チームは触媒から反応器、最終製品まで、そしてその間のすべてのシステム全体を研究しています。
「私たちの仕事は、電子からドルまですべてを考慮しています」と、プロジェクトの長年の貢献者である化学者のマーク・ボーデンは言いました。 学際的なチームは、化学、工学、技術経済学、および理論計算の知識を組み合わせて、大規模貯蔵用の化学エネルギー貯蔵システムの実用的な実行可能性を調べます。
チームは、今年後半にオープンする予定のPNNLのエネルギー科学センターに支援の家を持ちます。 この建物には、250人を超えるスタッフと、以前はキャンパス内に散らばっていた一連の高度な科学機器が収容され、チームの長い進歩の歴史に基づいて構築するためのコラボレーション環境が促進されます。 エネルギー科学センターでの研究には、分子電極触媒センターを通じて電気を化学結合に変換するための新しい触媒の開発に焦点を当てた研究も含まれます。
出発点としての水素
オートレイ氏は、化学物質の貯蔵に関する議論は、すべての可能性の中で最も有望な分子としての水素を中心に展開することが多いと述べています。 炭素を含まないエネルギー源として使用する前に、水を水素ガスと酸素ガスに分解することで製造できます。 燃料電池では、水素が酸素と結合して電気と水を生成します。
ただし、純粋な水素を気体または液体として貯蔵することはロジスティック的に困難であり、大型の高圧タンクまたは非常に低い温度のいずれかが必要です。 研究者たちは、分子や材料に水素を保持するためのさまざまな代替貯蔵ソリューションを開発しています。
PNNLでは、Autreyとチームは、化学反応を利用して、必要に応じて安定した分子に水素を追加および除去する水素キャリアシステムを開発しています。 化学のサブフィールド全体で、水素の添加と除去を行う触媒を研究しています。 PNNLの研究者は、ギ酸、メチルシクロヘキサン、ブタンジオールなどの分子に水素を貯蔵するのを容易にする触媒の設計を専門としています。
PNNLの化学者であるBaTranは、確立された触媒と組み合わせて、長期保存のために酢酸エチルと循環させる水素に富むエタノールの適合性をテストする作業を主導しました。 水素は、使用のために放出され、エタノールが酢酸エチルに変換されるまで、必要になるまでエタノールに結合したままです。 触媒は、XNUMXつの酢酸エチル分子にXNUMXつの水素分子を追加して、水素を貯蔵するXNUMXつの安定したエタノール分子を生成します。
ラボを超えた分析
トランと彼の同僚は、他の分子に水素を加えたり放出したりする基本的な化学を理解することに加えて、実験測定と高度な分子シミュレーションからのデータを大規模システムの研究に取り入れました。 「私たちは、エタノールに水素を貯蔵するプロセス、および他の形態の化学エネルギー貯蔵が、アプリケーション規模のシステムでどのように動作するかを見たいと思っています」と理論化学者のサマンサ・ジョンソンは述べています。
たとえば、エタノールの研究では、チームは近隣の季節的なエネルギー貯蔵に関連する規模で原子炉の設計を分析しました。 反応の化学的性質はうまく機能し、プロジェクトはチームに実際のシステムに必要なエンジニアリングについての貴重な教訓を教え、さまざまな水素担体を探索するための新しい方向に導きました。
現実の基礎研究
水素化触媒がどのように機能するかについての分子の詳細を研究する場合でも、近隣規模の貯蔵システムを設計する場合でも、研究者は常に研究を研究室から世界に移すのに役立つ質問をしています。 チームは問題解決に周期的なアプローチを取り、研究のさまざまな部分が互いに情報を提供し、エネルギー貯蔵システムがどのように機能するかについてより完全な全体像を作成します。 また、多様な技術的背景を持つ研究者を集めることで、チームはより広いエネルギー貯蔵分野の解決可能な問題や課題を特定することができます。
新しいエネルギー科学センターの共同作業の雰囲気と追加の機器は、チームが実行する作業に適合します。 彼らのプロジェクトは、新しい建物の存在によって加速されるPNNLでの幅広いエネルギー関連の研究の一部です。 エネルギー科学センターは、さまざまな専門分野の研究者を集めて、コラボレーションを促進します。 オートレイ氏は次のように述べています。「私たちは、再生可能エネルギーに焦点を当てた未来に向けて社会を動かす手助けをしたいと考えています。」
研究者たちは、米国エネルギー省の一部として設立された水素先端研究コンソーシアム（HyMARC）を通じて、エネルギー効率・再生可能エネルギー局の水素および燃料電池技術局からの支援を認めています。 エネルギー 材料ネットワーク。
