Интенсивность использования природных ресурсов, обеспечивающих возобновляемую энергию, меняется изо дня в день, а также от сезона к сезону. Весна приносит с собой сильные ветры, которые обыскивают пустыни и наполняют реки таянием снегов. Лето - синоним долгих солнечных часов, прежде чем дни укорачиваются, когда осень переходит в зиму.
Нам нужно множество способов хранения возобновляемой энергии, соответствующих тому, как мы ее используем, от батарей до топливных элементов. Батареи хорошо подходят для более короткого срока хранения, от нескольких часов до нескольких дней. Из различных методов хранения возобновляемой энергии один выделяется тем, что обеспечивает способ удерживать энергию в течение нескольких месяцев: хранение энергии в химических связях молекул, таких как водород.
За десятилетия фундаментальных исследований ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) предоставили подробную информацию о том, как катализаторы помогают преобразовывать энергию в молекулярные связи, накапливая энергию, создавая связи, и высвобождая ее, разрывая связи.
Сейчас группа под руководством химика и сотрудника лаборатории Тома Отри работает над превращением химических накопителей энергии в практические устройства, которые однажды могут помочь в обеспечении энергией кварталы, инфраструктуру и промышленность. Для этого команда изучает целые системы, от катализаторов до реакторов и конечных продуктов - и все, что между ними.
«Наша работа учитывает все, от электронов до долларов», - сказал химик Марк Боуден, давний участник проекта. Междисциплинарная команда объединяет знания в области химии, инженерии, техноэкономики и теоретических расчетов для изучения практической жизнеспособности систем хранения химической энергии для крупномасштабного хранения.
У команды будет вспомогательный дом в Центре энергетических наук PNNL, открытие которого запланировано на конец этого года. В здании разместятся более 250 сотрудников и ряд передовых научных инструментов, ранее разбросанных по кампусу, что будет способствовать созданию среды для совместной работы, основанной на долгой истории прогресса команды. Исследования Центра энергетических наук также будут включать работу, направленную на разработку новых катализаторов для преобразования электричества в химические связи через Центр молекулярного электрокатализа.
Водород как отправная точка
По словам Отри, дискуссии о хранении химикатов часто вращаются вокруг водорода как наиболее многообещающей молекулы из всех возможных. Его можно производить, расщепляя воду на водород и кислород, прежде чем использовать в качестве безуглеродного источника энергии. В топливном элементе водород соединяется с кислородом для производства электроэнергии и воды.
Однако хранение чистого водорода в виде газа или жидкости затруднительно с точки зрения логистики, требуя либо больших резервуаров высокого давления, либо очень низких температур. Исследователи разрабатывают множество альтернативных решений для хранения водорода в молекулах или материалах.
В PNNL Отри и его команда разрабатывают системы-носители водорода, которые используют химические реакции для добавления и удаления водорода из стабильных молекул по запросу. Целая область химии изучает катализаторы, которые выполняют добавление и удаление водорода. Исследователи PNNL специализируются на разработке катализаторов, которые способствуют хранению водорода в таких молекулах, как муравьиная кислота, метилциклогексан и бутандиол, среди прочих.
Химик PNNL Ба Тран руководил работой по тестированию пригодности богатого водородом этанола в сочетании с установленным катализатором для цикла с этилацетатом для длительного хранения. Водород остается связанным с этанолом до тех пор, пока он не понадобится, когда он может быть выпущен для использования, а этанол преобразован в этилацетат. Катализатор может добавить две молекулы водорода к одной молекуле этилацетата, образуя две стабильные молекулы этанола, в которых хранятся водороды.
Анализ за пределами лаборатории
В дополнение к пониманию фундаментальной химии добавления и высвобождения водорода из других молекул, Тран и его коллеги использовали данные экспериментальных измерений и продвинутого молекулярного моделирования в исследованиях более крупномасштабных систем. «Мы хотим увидеть, как процесс хранения водорода в этаноле - и других формах хранения химической энергии - будет вести себя в системе прикладного масштаба», - сказала химик-теоретик Саманта Джонсон.
Например, в исследовании этанола команда проанализировала проект реактора в масштабе, соответствующем сезонному хранению энергии в районе. Химия реакций работала хорошо, и проект преподал команде ценные уроки об инженерных решениях, необходимых для практической системы, открыв им новые направления для изучения различных носителей водорода.
Обоснование исследования в реальности
Независимо от того, изучаете ли молекулярные детали того, как работает катализатор гидрирования, или разрабатываете систему хранения в масштабе квартала, исследователи всегда задают вопросы, которые помогут перенести исследования из лаборатории в мир. Команда применяет циклический подход к решению проблем, когда различные части их исследований информируют друг друга и создают более полную картину того, как работает система накопления энергии. А объединение исследователей с разным техническим образованием позволяет команде определить решаемые проблемы или задачи для более широкой области хранения энергии.
Атмосфера сотрудничества и дополнительное оборудование в новом Центре энергетических наук сочетаются с работой, которую выполняет команда. Их проект является частью широкого спектра исследований в области энергетики в PNNL, которые будут ускорены появлением нового здания. Центр энергетических наук объединяет исследователей разных специальностей для поощрения сотрудничества. Сказал Отри: «Мы хотим помочь нашему обществу двигаться к будущему, ориентированному на возобновляемые источники энергии».
Исследователи выражают признательность за поддержку со стороны Управления технологий производства водорода и топливных элементов Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии через Консорциум перспективных исследований водорода (HyMARC), созданный как часть Министерства энергетики США. Энергия Сеть материалов.
