Keamatan sumber semula jadi yang menyediakan tenaga boleh diperbaharui berbeza dari hari ke hari, dan juga musim ke musim. Musim bunga membawa angin kencang untuk menjelajahi padang pasir dan memenuhi sungai dengan salji salji. Musim panas adalah sinonim dengan waktu lama yang diterangi cahaya matahari sebelum hari-hari menjadi pendek kerana peralihan musim gugur ke musim sejuk.
Kita memerlukan banyak cara untuk menyimpan tenaga boleh diperbaharui yang sesuai dengan cara kita menggunakannya, dari bateri hingga sel bahan bakar. Bateri berfungsi dengan baik untuk penyimpanan jangka masa yang lebih pendek, mengikut urutan jam hingga hari. Dari kaedah yang berbeza untuk menyimpan tenaga boleh diperbaharui, seseorang menonjol untuk menyediakan cara untuk menahan tenaga selama berbulan-bulan pada satu masa: menyimpan tenaga dalam ikatan kimia molekul seperti hidrogen.
Melalui kajian asas selama beberapa dekad, saintis di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) telah menyumbangkan maklumat terperinci mengenai bagaimana pemangkin membantu menukar tenaga menjadi ikatan molekul, menyimpan tenaga dengan membuat ikatan dan melepaskannya dengan memutuskan ikatan.
Kini, sebuah pasukan yang diketuai oleh ahli kimia dan Felo Makmal Tom Autrey berusaha untuk mengubah simpanan tenaga kimia menjadi persediaan praktikal yang suatu hari dapat membantu kawasan kejiranan, infrastruktur, dan industri. Untuk melakukan itu, pasukan sedang mengkaji keseluruhan sistem, dari pemangkin hingga reaktor hingga produk akhir - dan semua yang ada di antaranya.
"Kerja kami mempertimbangkan segalanya dari elektron hingga dolar," kata ahli kimia Mark Bowden, penyumbang lama projek ini. Pasukan interdisipliner menggabungkan pengetahuan dalam kimia, kejuruteraan, teknoekonomi, dan pengiraan teori untuk memeriksa daya maju praktikal sistem penyimpanan tenaga kimia untuk penyimpanan berskala besar.
Pasukan ini akan memiliki rumah sokongan di Pusat Sains Tenaga PNNL, yang dijadualkan dibuka akhir tahun ini. Bangunan ini akan menempatkan lebih daripada 250 orang kakitangan dan sekumpulan instrumen saintifik canggih yang sebelumnya tersebar di kampus, memupuk persekitaran kolaboratif untuk membangun sejarah kemajuan pasukan yang panjang. Penyelidikan di Pusat Sains Tenaga juga akan merangkumi pekerjaan yang difokuskan untuk mengembangkan pemangkin baru untuk menukar elektrik menjadi ikatan kimia melalui Pusat Elektrokatalisis Molekul.
Hidrogen sebagai titik permulaan
Perbincangan yang melibatkan penyimpanan bahan kimia sering berputar di sekitar hidrogen sebagai molekul paling menjanjikan dari semua kemungkinan, kata Autrey. Ia dapat dihasilkan dengan membelah air menjadi gas hidrogen dan oksigen sebelum digunakan sebagai sumber tenaga bebas karbon. Dalam sel bahan bakar, hidrogen bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan elektrik dan air.
Walau bagaimanapun, menyimpan hidrogen tulen sebagai gas atau cecair secara logiknya sukar, memerlukan tangki bertekanan tinggi atau bersuhu tinggi. Para penyelidik sedang mengembangkan pelbagai penyelesaian penyimpanan alternatif untuk menahan hidrogen dalam molekul atau bahan.
Di PNNL, Autrey dan pasukannya mengembangkan sistem pembawa hidrogen yang memanfaatkan reaksi kimia untuk menambah dan mengeluarkan hidrogen dari molekul stabil berdasarkan permintaan. Seluruh bidang kimia mengkaji pemangkin yang melakukan penambahan dan penyingkiran hidrogen. Penyelidik PNNL pakar dalam merancang pemangkin yang memudahkan menyimpan hidrogen dalam molekul seperti asid formik, metilcyclohexane, dan butanediol, antara lain.
Ahli kimia PNNL Ba Tran mengetuai kerja yang menguji kesesuaian etanol kaya hidrogen, digabungkan dengan pemangkin mapan, untuk berpusing dengan etil asetat untuk penyimpanan jangka panjang. Hidrogen tetap terikat dengan etanol sehingga diperlukan, apabila dapat dibebaskan untuk digunakan dan etanol diubah menjadi etil asetat. Pemangkin dapat menambahkan dua molekul hidrogen ke satu molekul etil asetat tunggal, menghasilkan dua molekul etanol stabil yang menyimpan hidrogen.
Analisis di luar makmal
Di samping memahami asas kimia penambahan dan pembebasan hidrogen dari molekul lain, Tran dan rakannya memasukkan data dari pengukuran eksperimen dan simulasi molekul maju ke dalam kajian sistem berskala lebih besar. "Kami ingin melihat bagaimana proses menyimpan hidrogen dalam etanol - dan bentuk penyimpanan tenaga kimia lain - akan berlaku dalam sistem skala aplikasi," kata ahli kimia teori Samantha Johnson.
Dalam kajian etanol, misalnya, pasukan menganalisis reka bentuk reaktor pada skala yang relevan untuk penyimpanan tenaga bermusim di kawasan kejiranan. Kimia reaksi berfungsi dengan baik dan projek itu memberi pengajaran kepada pasukan pelajaran berharga mengenai kejuruteraan yang diperlukan untuk sistem praktikal, membawa mereka ke arah baru untuk meneroka pembawa hidrogen yang berbeza.
Mendasarkan penyelidikan dalam kenyataan
Sama ada mengkaji perincian molekul bagaimana pemangkin hidrogenasi berfungsi atau membuat kejuruteraan sistem penyimpanan berskala kejiranan, para penyelidik selalu mengajukan soalan yang akan membantu memindahkan penyelidikan dari makmal ke dunia. Pasukan ini mengambil pendekatan kitaran untuk menyelesaikan masalah, di mana bahagian kajian mereka berbeza antara satu sama lain dan membuat gambaran yang lebih lengkap mengenai bagaimana sistem penyimpanan tenaga berfungsi. Dan menyatukan penyelidik dengan latar belakang teknikal yang pelbagai membolehkan pasukan mengenal pasti masalah atau cabaran yang dapat diselesaikan untuk bidang penyimpanan tenaga yang lebih luas.
Suasana kolaborasi dan instrumen tambahan Pusat Sains Tenaga baru sesuai dengan kerja yang dilakukan oleh pasukan. Projek mereka adalah sebahagian daripada penyelidikan yang berkaitan dengan tenaga di PNNL yang akan dipercepat dengan adanya bangunan baru. Pusat Sains Tenaga mengumpulkan para penyelidik dengan kepakaran yang berbeza untuk mendorong kerjasama. Kata Autrey: "Kami ingin membantu menggerakkan masyarakat kita ke arah masa depan yang fokus pada tenaga boleh diperbaharui."
Para penyelidik mengakui sokongan dari Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office of the Energy Efficiency and Renewable Energy, melalui Hydrogen Advanced Research Consortium (HyMARC), yang ditubuhkan sebagai sebahagian daripada Jabatan Tenaga AS Tenaga Rangkaian Bahan.
