ความเข้มของทรัพยากรธรรมชาติที่ให้พลังงานหมุนเวียนแตกต่างกันไปในแต่ละวัน รวมทั้งฤดูกาล ฤดูใบไม้ผลินำลมแรงพัดมาสู่ทะเลทรายและเติมแม่น้ำด้วยหิมะละลาย ฤดูร้อนมีความหมายเหมือนกันกับชั่วโมงที่มีแสงแดดส่องถึงนานก่อนวันจะสั้นลงเมื่อฤดูใบไม้ร่วงเข้าสู่ฤดูหนาว
เราต้องการวิธีมากมายในการจัดเก็บพลังงานหมุนเวียนที่ตรงกับวิธีที่เราใช้ ตั้งแต่แบตเตอรี่ไปจนถึงเซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ทำงานได้ดีสำหรับการจัดเก็บที่มีระยะเวลาสั้นลง โดยเรียงจากชั่วโมงเป็นวัน จากวิธีการต่างๆ ในการจัดเก็บพลังงานหมุนเวียน วิธีหนึ่งมีความโดดเด่นในการจัดหาวิธีการกักเก็บพลังงานไว้หลายเดือนในแต่ละครั้ง: การเก็บพลังงานในพันธะเคมีของโมเลกุล เช่น ไฮโดรเจน
ตลอดหลายทศวรรษของการวิจัยพื้นฐาน นักวิทยาศาสตร์จาก Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ได้ให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีที่ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยเปลี่ยนพลังงานให้เป็นพันธะโมเลกุล จัดเก็บพลังงานโดยสร้างพันธะและปลดปล่อยมันโดยการทำลายพันธะ
ตอนนี้ ทีมงานที่นำโดยนักเคมีและเพื่อนร่วมห้องทดลอง Tom Autrey กำลังทำงานเพื่อเปลี่ยนการจัดเก็บพลังงานเคมีให้กลายเป็นการตั้งค่าที่ใช้งานได้จริง ซึ่งอาจช่วยให้พลังงานแก่ย่านใกล้เคียง โครงสร้างพื้นฐาน และอุตสาหกรรมในวันหนึ่ง ในการทำเช่นนั้น ทีมงานกำลังศึกษาระบบทั้งหมด ตั้งแต่ตัวเร่งปฏิกิริยาไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์ ไปจนถึงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย และทุกสิ่งในระหว่างนั้น
“งานของเราพิจารณาทุกอย่างตั้งแต่อิเลคตรอนไปจนถึงดอลลาร์” นักเคมี มาร์ค โบว์เดน ผู้สนับสนุนโครงการนี้มาอย่างยาวนานกล่าว ทีมสหวิทยาการได้รวมเอาความรู้ด้านเคมี วิศวกรรม เทคโนเศรษฐศาสตร์ และการคำนวณทางทฤษฎี เพื่อตรวจสอบความมีชีวิตจริงของระบบจัดเก็บพลังงานเคมีสำหรับการจัดเก็บขนาดใหญ่
ทีมงานจะมีบ้านสนับสนุนในศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงานของ PNNL ซึ่งมีกำหนดจะเปิดในปลายปีนี้ อาคารนี้จะมีเจ้าหน้าที่กว่า 250 คนและชุดเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ขั้นสูงที่เคยกระจัดกระจายอยู่ทั่ววิทยาเขต ส่งเสริมสภาพแวดล้อมการทำงานร่วมกันเพื่อสร้างความก้าวหน้าอันยาวนานของทีม การวิจัยที่ศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงานจะรวมถึงงานที่เน้นการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่สำหรับการแปลงไฟฟ้าเป็นพันธะเคมีผ่านศูนย์ Electrocatalysis ระดับโมเลกุล
ไฮโดรเจนเป็นจุดเริ่มต้น
การอภิปรายเกี่ยวกับการจัดเก็บสารเคมีมักจะหมุนรอบไฮโดรเจนเป็นโมเลกุลที่มีแนวโน้มมากที่สุดของความเป็นไปได้ทั้งหมด Autrey กล่าว สามารถผลิตได้โดยการแยกน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนก่อนนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานที่ปราศจากคาร์บอน ในเซลล์เชื้อเพลิง ไฮโดรเจนจะรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อผลิตไฟฟ้าและน้ำ
อย่างไรก็ตาม การจัดเก็บไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นก๊าซหรือของเหลวนั้นทำได้ยาก ต้องใช้ถังแรงดันสูงขนาดใหญ่หรืออุณหภูมิต่ำมาก นักวิจัยกำลังพัฒนาโซลูชันการจัดเก็บทางเลือกที่หลากหลายเพื่อกักเก็บไฮโดรเจนไว้ในโมเลกุลหรือวัสดุ
ที่ PNNL ออเดรย์และทีมงานกำลังพัฒนาระบบพาหะไฮโดรเจนที่ควบคุมปฏิกิริยาเคมีเพื่อเพิ่มและขจัดไฮโดรเจนออกจากโมเลกุลที่เสถียรตามต้องการ สาขาย่อยทั้งหมดของเคมีศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำการเติมและกำจัดไฮโดรเจน นักวิจัยของ PNNL เชี่ยวชาญในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่อำนวยความสะดวกในการจัดเก็บไฮโดรเจนในโมเลกุล เช่น กรดฟอร์มิก เมทิลไซโคลเฮกเซน และบิวเทนไดออล เป็นต้น
Ba Tran นักเคมีของ PNNL นำงานทดสอบความเหมาะสมของเอทานอลที่อุดมด้วยไฮโดรเจน รวมกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่จัดตั้งขึ้น เพื่อหมุนเวียนด้วยเอทิลอะซิเตทสำหรับการเก็บรักษาในระยะยาว ไฮโดรเจนยังคงเกาะติดกับเอทานอลจนกว่าจะจำเป็น เมื่อปล่อยไฮโดรเจนออกมาใช้และเอทานอลจะเปลี่ยนเป็นเอทิลอะซิเตท ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเพิ่มไฮโดรเจนสองโมเลกุลลงในโมเลกุลเอทิลอะซิเตทเดียว ทำให้เกิดโมเลกุลเอทานอลที่เสถียรสองโมเลกุลที่เก็บไฮโดรเจนไว้
การวิเคราะห์นอกห้องปฏิบัติการ
นอกเหนือจากการทำความเข้าใจเคมีพื้นฐานของการเพิ่มและการปล่อยไฮโดรเจนจากโมเลกุลอื่นแล้ว Tran และเพื่อนร่วมงานของเขายังได้รวมข้อมูลจากการวัดทดลองและการจำลองระดับโมเลกุลขั้นสูงเข้าไว้ในการศึกษาระบบขนาดใหญ่ขึ้น "เราต้องการดูว่ากระบวนการเก็บไฮโดรเจนในเอทานอลและการจัดเก็บพลังงานเคมีรูปแบบอื่นๆ จะเป็นอย่างไรในระบบระดับการใช้งาน" ซาแมนธา จอห์นสัน นักเคมีเชิงทฤษฎีกล่าว
ตัวอย่างเช่น ในการศึกษาเอทานอล ทีมงานได้วิเคราะห์การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ในระดับที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บพลังงานตามฤดูกาลในบริเวณใกล้เคียง เคมีของปฏิกิริยาทำงานได้ดี และโปรเจ็กต์นี้ก็ได้สอนบทเรียนอันมีค่าเกี่ยวกับวิศวกรรมที่จำเป็นสำหรับระบบที่ใช้งานได้จริง โดยนำพวกเขาไปสู่ทิศทางใหม่ในการสำรวจตัวพาไฮโดรเจนต่างๆ
การวิจัยพื้นฐานในความเป็นจริง
ไม่ว่าจะศึกษารายละเอียดระดับโมเลกุลเกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันหรือวิศวกรรมระบบจัดเก็บข้อมูลขนาดใกล้เคียง นักวิจัยมักจะถามคำถามที่จะช่วยย้ายการวิจัยจากห้องปฏิบัติการไปสู่โลก ทีมงานใช้แนวทางที่เป็นวัฏจักรในการแก้ปัญหา ซึ่งส่วนต่าง ๆ ของงานวิจัยของพวกเขาจะแจ้งให้ทราบซึ่งกันและกัน และสร้างภาพที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวิธีการทำงานของระบบกักเก็บพลังงาน และการรวมตัวของนักวิจัยที่มีภูมิหลังทางเทคนิคที่หลากหลายช่วยให้ทีมสามารถระบุปัญหาหรือความท้าทายที่แก้ไขได้สำหรับสาขาการจัดเก็บพลังงานที่กว้างขึ้น
บรรยากาศการทำงานร่วมกันและเครื่องมือเพิ่มเติมของศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงานแห่งใหม่นี้สอดคล้องกับงานที่ทีมทำ โครงการของพวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยเกี่ยวกับพลังงานที่หลากหลายที่ PNNL ซึ่งจะเร่งความเร็วขึ้นเมื่อมีอาคารใหม่ ศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงานรวบรวมนักวิจัยที่มีความเชี่ยวชาญด้านต่างๆ เพื่อสนับสนุนการทำงานร่วมกัน Autrey กล่าวว่า "เราต้องการช่วยขับเคลื่อนสังคมของเราไปสู่อนาคตที่มุ่งเน้นไปที่พลังงานหมุนเวียน"
นักวิจัยรับทราบการสนับสนุนจากสำนักงานเทคโนโลยีไฮโดรเจนและเซลล์เชื้อเพลิงของสำนักงานประสิทธิภาพพลังงานและพลังงานหมุนเวียน ผ่าน Hydrogen Advanced Research Consortium (HyMARC) ซึ่งจัดตั้งขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของกระทรวงพลังงานสหรัฐ พลังงาน เครือข่ายวัสดุ
