재생 가능한 에너지를 제공하는 천연 자원의 강도는 계절과 계절에 따라 매일 다릅니다. 봄은 강한 바람을 불러와 사막을 뒤덮고 강을 눈이 녹은 것으로 채웁니다. 여름은 가을이 겨울로 넘어가면서 낮이 짧아지기 전의 긴 햇볕 시간과 동의어입니다.
우리는 배터리에서 연료 전지에 이르기까지 우리가 사용하는 방식에 맞는 재생 에너지를 저장하는 다양한 방법이 필요합니다. 배터리는 몇 시간에서 며칠 단위로 더 짧은 기간 동안 보관하는 데 적합합니다. 재생 에너지를 저장하는 다양한 방법 중에서 한 가지 방법은 한 번에 몇 달 동안 에너지를 유지하는 방법을 제공하는 것입니다. 즉, 수소와 같은 분자의 화학 결합에 에너지를 저장하는 것입니다.
태평양 북서부 국립 연구소(PNNL)의 과학자들은 수십 년에 걸친 기본 연구를 통해 촉매가 에너지를 분자 결합으로 변환하고 결합을 만들어 에너지를 저장하고 결합을 끊음으로써 에너지를 방출하는 데 어떻게 도움이 되는지에 대한 자세한 정보를 제공했습니다.
이제 화학자이자 실험실 펠로우인 Tom Autrey가 이끄는 팀은 화학 에너지 저장을 언젠가 이웃, 기반 시설 및 산업에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있는 실용적인 설정으로 전환하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 위해 팀은 촉매에서 반응기, 최종 제품에 이르는 전체 시스템과 그 사이의 모든 것을 연구하고 있습니다.
"우리의 작업은 전자에서 달러에 이르기까지 모든 것을 고려합니다."라고 프로젝트에 오랫동안 기여한 화학자 Mark Bowden이 말했습니다. 학제 간 팀은 화학, 공학, 기술 경제학 및 이론 계산에 대한 지식을 결합하여 대규모 저장을 위한 화학 에너지 저장 시스템의 실용적인 실행 가능성을 조사합니다.
팀은 올해 말에 열 예정인 PNNL의 에너지 과학 센터에 지원 주택을 갖게 됩니다. 이 건물은 250명 이상의 직원과 이전에 캠퍼스 곳곳에 흩어져 있던 첨단 과학 장비 제품군을 수용하여 팀의 오랜 발전 역사를 기반으로 하는 협업 환경을 조성할 것입니다. 에너지 과학 센터의 연구에는 분자 전기 촉매 센터(Center for Molecular Electrocatalysis)를 통해 전기를 화학 결합으로 변환하기 위한 새로운 촉매 개발에 중점을 둔 작업도 포함될 것입니다.
수소를 출발점으로
화학 저장과 관련된 논의는 모든 가능성 중 가장 유망한 분자인 수소를 중심으로 진행되는 경우가 많다고 Autrey는 말했습니다. 탄소가 없는 에너지원으로 사용되기 전에 물을 수소와 산소 가스로 분해하여 생산할 수 있습니다. 연료 전지에서 수소는 산소와 결합하여 전기와 물을 생성합니다.
그러나 순수한 수소를 기체 또는 액체로 저장하는 것은 물류적으로 어렵기 때문에 대형 고압 탱크 또는 매우 낮은 온도가 필요합니다. 연구원들은 분자나 물질에 수소를 저장하기 위한 다양한 대체 저장 솔루션을 개발하고 있습니다.
PNNL에서 Autrey와 팀은 수요에 따라 안정적인 분자에서 수소를 추가 및 제거하기 위해 화학 반응을 이용하는 수소 운반 시스템을 개발하고 있습니다. 화학의 전체 하위 분야는 수소 첨가 및 제거를 수행하는 촉매를 연구합니다. PNNL 연구원들은 특히 포름산, 메틸시클로헥산 및 부탄디올과 같은 분자에 수소를 저장하는 것을 촉진하는 촉매 설계를 전문으로 합니다.
PNNL 화학자 Ba Tran은 수소가 풍부한 에탄올과 기존 촉매를 결합하여 장기 보관을 위해 에틸 아세테이트로 순환시키는 적합성을 테스트하는 작업을 주도했습니다. 수소는 사용을 위해 방출될 수 있고 에탄올이 에틸 아세테이트로 전환될 수 있을 때까지 에탄올에 결합된 상태로 남아 있습니다. 촉매는 단일 에틸 아세테이트 분자에 두 분자의 수소를 추가하여 수소를 저장하는 두 개의 안정적인 에탄올 분자를 생성할 수 있습니다.
실험실을 넘어선 분석
Tran과 그의 동료들은 다른 분자에서 수소를 추가하고 방출하는 기본 화학을 이해하는 것 외에도 실험 측정 및 고급 분자 시뮬레이션의 데이터를 대규모 시스템 연구에 통합했습니다. 이론 화학자 Samantha Johnson은 "우리는 에탄올에 수소를 저장하는 과정과 다른 형태의 화학 에너지 저장 과정이 응용 규모 시스템에서 어떻게 작동하는지 확인하고 싶습니다."라고 말했습니다.
예를 들어 에탄올 연구에서 팀은 이웃의 계절 에너지 저장과 관련된 규모로 원자로 설계를 분석했습니다. 반응의 화학 반응은 잘 작동했으며 프로젝트는 팀에게 실제 시스템에 필요한 엔지니어링에 대한 귀중한 교훈을 주며 다양한 수소 운반체를 탐색하기 위한 새로운 방향으로 안내했습니다.
현실의 기초 연구
수소화 촉매가 어떻게 작동하는지에 대한 분자적 세부 사항을 연구하든 이웃 규모의 저장 시스템을 설계하든 연구원들은 항상 연구를 실험실에서 세계로 옮기는 데 도움이 되는 질문을 하고 있습니다. 팀은 연구의 다른 부분이 서로 정보를 주고 에너지 저장 시스템이 작동하는 방식에 대한 보다 완전한 그림을 만드는 문제 해결에 대한 주기적 접근 방식을 취합니다. 그리고 다양한 기술적 배경을 가진 연구원들을 한데 모아 팀이 더 광범위한 에너지 저장 분야에서 해결할 수 있는 문제 또는 과제를 식별할 수 있습니다.
새로운 Energy Sciences Center의 협력적인 분위기와 추가 장비는 팀이 수행하는 작업에 적합합니다. 그들의 프로젝트는 새 건물의 존재로 가속화될 PNNL의 광범위한 에너지 관련 연구의 일부입니다. 에너지 과학 센터는 협력을 장려하기 위해 다양한 전문 분야의 연구원을 모았습니다. Autrey는 다음과 같이 말했습니다: "우리는 우리 사회가 재생 에너지에 초점을 맞춘 미래로 나아가도록 돕고 싶습니다."
연구원들은 미국 에너지부의 일부로 설립된 수소 첨단 연구 컨소시엄(HyMARC)을 통해 에너지 효율 및 재생 에너지국의 수소 및 연료 전지 기술 사무소의 지원을 인정합니다. 에너지 재료 네트워크.
