A intensidade dos recursos naturais que fornecem energia renovável varia de dia para dia, bem como de época para época. A primavera traz ventos fortes que varrem os desertos e enche os rios de neve derretida. O verão é sinônimo de longas horas de sol antes que os dias encurtem com a transição do outono para o inverno.
Precisamos de uma infinidade de maneiras de armazenar energia renovável que corresponda à forma como a usamos, desde baterias a células de combustível. As baterias funcionam bem para armazenamento de curta duração, da ordem de horas a dias. Dos diferentes métodos de armazenamento de energia renovável, um se destaca por fornecer uma maneira de mantê-la por meses a fio: o armazenamento de energia nas ligações químicas de moléculas como o hidrogênio.
Ao longo de décadas de pesquisa fundamental, os cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) contribuíram com informações detalhadas sobre como os catalisadores ajudam a converter energia em ligações moleculares, armazenando a energia ao fazer ligações e liberando-a ao quebrar ligações.
Agora, uma equipe liderada pelo químico e pesquisador de laboratório Tom Autrey está trabalhando para transformar o armazenamento de energia química em configurações práticas que possam um dia ajudar a fornecer energia aos bairros, à infraestrutura e à indústria. Para fazer isso, a equipe está estudando sistemas inteiros, de catalisadores a reatores e produtos finais - e tudo mais.
“Nosso trabalho considera tudo, desde elétrons a dólares”, disse o químico Mark Bowden, um colaborador de longa data do projeto. A equipe interdisciplinar combina conhecimento em química, engenharia, tecnoeconomia e cálculos teóricos para examinar a viabilidade prática de sistemas de armazenamento de energia química para armazenamento em grande escala.
A equipe terá uma casa de apoio no Centro de Ciências da Energia do PNNL, com inauguração programada para o final deste ano. O prédio abrigará mais de 250 funcionários e um conjunto de instrumentos científicos avançados anteriormente espalhados pelo campus, promovendo um ambiente colaborativo para construir a longa história de progresso da equipe. A pesquisa no Centro de Ciências da Energia também incluirá trabalho focado no desenvolvimento de novos catalisadores para converter eletricidade em ligações químicas por meio do Centro de Eletrocatálise Molecular.
Hidrogênio como ponto de partida
As discussões envolvendo armazenamento químico geralmente giram em torno do hidrogênio como a molécula mais promissora de todas as possibilidades, observou Autrey. Ele pode ser produzido pela divisão da água em gases hidrogênio e oxigênio antes de ser usado como fonte de energia livre de carbono. Em uma célula a combustível, o hidrogênio se combina com o oxigênio para produzir eletricidade e água.
No entanto, armazenar hidrogênio puro como gás ou líquido é logisticamente difícil, exigindo tanques grandes de alta pressão ou temperaturas muito baixas. Os pesquisadores estão desenvolvendo uma variedade de soluções alternativas de armazenamento para armazenar hidrogênio em moléculas ou materiais.
No PNNL, Autrey e a equipe estão desenvolvendo sistemas de transporte de hidrogênio que aproveitam as reações químicas para adicionar e remover hidrogênio de moléculas estáveis sob demanda. Todo um subcampo da química estuda os catalisadores que realizam a adição e remoção de hidrogênio. Os pesquisadores do PNNL se especializam em projetar catalisadores que facilitam o armazenamento de hidrogênio em moléculas como ácido fórmico, metilciclohexano e butanodiol, entre outros.
O químico da PNNL, Ba Tran, conduziu um trabalho testando a adequação do etanol rico em hidrogênio, combinado com um catalisador estabelecido, para realizar um ciclo com acetato de etila para armazenamento de longo prazo. O hidrogênio permanece ligado ao etanol até que seja necessário, quando pode ser liberado para uso e o etanol convertido em acetato de etila. O catalisador pode adicionar duas moléculas de hidrogênio a uma única molécula de acetato de etila, produzindo duas moléculas de etanol estáveis que armazenam os hidrogênios.
Análise além do laboratório
Além de compreender a química fundamental da adição e liberação de hidrogênio de outras moléculas, Tran e seus colegas incorporaram dados de medições experimentais e simulações moleculares avançadas em estudos de sistemas em larga escala. “Queremos ver como o processo de armazenamento de hidrogênio no etanol - e outras formas de armazenamento de energia química - se comportaria em um sistema de escala de aplicação”, disse a química teórica Samantha Johnson.
No estudo do etanol, por exemplo, a equipe analisou o projeto de um reator em uma escala relevante para o armazenamento sazonal de energia em um bairro. A química das reações funcionou bem e o projeto ensinou à equipe lições valiosas sobre a engenharia necessária para um sistema prático, levando-os a novas direções para explorar diferentes portadores de hidrogênio.
Fundamentando a pesquisa na realidade
Seja estudando os detalhes moleculares de como funciona um catalisador de hidrogenação ou projetando um sistema de armazenamento em escala de vizinhança, os pesquisadores estão sempre fazendo perguntas que ajudarão a levar a pesquisa do laboratório para o mundo. A equipe adota uma abordagem cíclica para a solução de problemas, em que diferentes partes de suas pesquisas se informam mutuamente e criam uma imagem mais completa de como funciona um sistema de armazenamento de energia. E reunir pesquisadores com diversas formações técnicas permite que a equipe identifique problemas ou desafios solucionáveis para o campo mais amplo de armazenamento de energia.
A atmosfera colaborativa e a instrumentação adicional do novo Centro de Ciências da Energia se adaptam ao trabalho que a equipe realiza. O projeto deles faz parte de uma ampla gama de pesquisas relacionadas à energia no PNNL que serão aceleradas pela presença do novo edifício. O Centro de Ciências da Energia reúne pesquisadores de diferentes especialidades para estimular a colaboração. Disse Autrey: “Queremos ajudar a mover nossa sociedade em direção a um futuro focado nas energias renováveis.”
Os pesquisadores agradecem o apoio do Escritório de Tecnologias de Hidrogênio e Células de Combustível do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável, por meio do Consórcio de Pesquisa Avançada de Hidrogênio (HyMARC), estabelecido como parte do Departamento de Energia dos EUA Energia Rede de materiais.
