De intensiteit van de natuurlijke hulpbronnen die hernieuwbare energie leveren, varieert van dag tot dag en van seizoen tot seizoen. De lente zorgt voor harde wind die door de woestijnen schuurt en rivieren vult met smeltende sneeuw. De zomer staat synoniem voor lange zonovergoten uren voordat de dagen korter worden als de herfst overgaat in de winter.
We hebben een groot aantal manieren nodig om hernieuwbare energie op te slaan die past bij hoe we deze gebruiken, van batterijen tot brandstofcellen. Batterijen werken goed voor opslag van kortere duur, in de orde van uren tot dagen. Van de verschillende methoden om hernieuwbare energie op te slaan, springt er één eruit omdat het een manier biedt om energie maandenlang vast te houden: energie opslaan in de chemische bindingen van moleculen zoals waterstof.
Door tientallen jaren van fundamenteel onderzoek hebben wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) gedetailleerde informatie bijgedragen over hoe katalysatoren energie helpen omzetten in moleculaire bindingen, de energie opslaan door bindingen te maken en vrijgeven door bindingen te verbreken.
Nu werkt een team onder leiding van scheikundige en laboratoriummedewerker Tom Autrey aan het omzetten van chemische energieopslag in praktische opstellingen die ooit buurten, infrastructuur en industrie van stroom kunnen voorzien. Om dat te doen, bestudeert het team hele systemen, van katalysatoren tot reactoren tot eindproducten - en alles daartussenin.
"Ons werk houdt rekening met alles, van elektronen tot dollars", zegt scheikundige Mark Bowden, die al lang aan het project bijdraagt. Het interdisciplinaire team combineert kennis op het gebied van chemie, engineering, techno-economie en theoretische berekeningen om de praktische haalbaarheid van chemische energieopslagsystemen voor grootschalige opslag te onderzoeken.
Het team krijgt een ondersteunend huis in het Energy Sciences Center van PNNL, dat later dit jaar wordt geopend. Het gebouw zal plaats bieden aan meer dan 250 personeelsleden en een reeks geavanceerde wetenschappelijke instrumenten die voorheen verspreid waren over de campus, waardoor een samenwerkingsomgeving wordt bevorderd om voort te bouwen op de lange geschiedenis van vooruitgang van het team. Onderzoek in het Energy Sciences Centre omvat ook werkzaamheden gericht op de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren voor het omzetten van elektriciteit in chemische bindingen via het Centre for Molecular Electrocatalysis.
Waterstof als uitgangspunt
Discussies over chemische opslag gaan vaak over waterstof als het meest veelbelovende molecuul van alle mogelijkheden, merkte Autrey op. Het kan worden geproduceerd door water te splitsen in waterstof- en zuurstofgassen voordat het wordt gebruikt als koolstofvrije energiebron. In een brandstofcel combineert waterstof met zuurstof om elektriciteit en water te produceren.
Het opslaan van zuivere waterstof als gas of vloeistof is echter logistiek moeilijk en vereist grote hogedruktanks of zeer lage temperaturen. Onderzoekers ontwikkelen verschillende alternatieve opslagoplossingen om waterstof in moleculen of materialen vast te houden.
Bij PNNL ontwikkelen Autrey en het team waterstofdragersystemen die chemische reacties gebruiken om op verzoek waterstof toe te voegen aan en te verwijderen uit stabiele moleculen. Een heel deelgebied van de chemie bestudeert de katalysatoren die waterstof toevoegen en verwijderen. PNNL-onderzoekers zijn gespecialiseerd in het ontwerpen van katalysatoren die de opslag van waterstof vergemakkelijken in onder andere mierenzuur, methylcyclohexaan en butaandiol.
PNNL-chemicus Ba Tran leidde het werk om de geschiktheid te testen van waterstofrijke ethanol, gecombineerd met een gevestigde katalysator, om te fietsen met ethylacetaat voor langdurige opslag. Waterstof blijft gebonden aan de ethanol totdat het nodig is, wanneer het kan worden vrijgegeven voor gebruik en de ethanol kan worden omgezet in ethylacetaat. De katalysator kan twee moleculen waterstof toevoegen aan een enkel ethylacetaatmolecuul, waardoor twee stabiele ethanolmoleculen worden geproduceerd die de waterstofatomen opslaan.
Analyse buiten het lab
Naast het begrijpen van de fundamentele chemie van het toevoegen en vrijgeven van waterstof uit andere moleculen, namen Tran en zijn collega's gegevens van experimentele metingen en geavanceerde moleculaire simulaties op in studies van systemen op grotere schaal. "We willen zien hoe het proces van het opslaan van waterstof in ethanol - en andere vormen van opslag van chemische energie - zich zou gedragen in een systeem op toepassingsschaal", zei theoretisch chemicus Samantha Johnson.
In de ethanolstudie analyseerde het team bijvoorbeeld een reactorontwerp op een schaal die relevant is voor seizoensgebonden energieopslag in een wijk. De chemie van de reacties werkte goed en het project leerde het team waardevolle lessen over de engineering die nodig is voor een praktisch systeem, waardoor ze nieuwe richtingen insloegen om verschillende waterstofdragers te verkennen.
Grondig onderzoek in de realiteit
Of het nu gaat om het bestuderen van de moleculaire details van hoe een hydrogeneringskatalysator werkt of het ontwerpen van een opslagsysteem op buurtniveau, de onderzoekers stellen altijd vragen die helpen om onderzoek van het laboratorium naar de wereld te verplaatsen. Het team hanteert een cyclische benadering van het oplossen van problemen, waarbij verschillende delen van hun onderzoek elkaar informeren en een completer beeld creëren van hoe een energieopslagsysteem werkt. En door onderzoekers met verschillende technische achtergronden samen te brengen, kan het team oplosbare problemen of uitdagingen voor het bredere veld van energieopslag identificeren.
De samenwerkingssfeer en aanvullende instrumentatie van het nieuwe Energy Sciences Centre past bij het werk dat het team uitvoert. Hun project maakt deel uit van het brede scala aan energiegerelateerd onderzoek bij PNNL dat door de aanwezigheid van de nieuwbouw versneld zal worden. Het Energy Sciences Centre brengt onderzoekers met verschillende specialismen samen om samenwerking te stimuleren. Autrey zei: "We willen helpen onze samenleving te bewegen naar een toekomst gericht op hernieuwbare energie."
De onderzoekers erkennen de steun van het Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office van het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, via het Hydrogen Advanced Research Consortium (HyMARC), opgericht als onderdeel van het US Department of Energy's Energie Materialen Netwerk.
