Yenilenebilir enerji sağlayan doğal kaynakların yoğunluğu günden güne ve mevsimden mevsime değişiklik göstermektedir. Bahar, çölleri ovalayacak kuvvetli rüzgarlar getirir ve nehirleri eriyen karlarla doldurur. Yaz, sonbahar kışa geçerken günler kısalmadan önce uzun güneşli saatlerle eş anlamlıdır.
Yenilenebilir enerjiyi depolamak için pillerden yakıt hücrelerine kadar, onu nasıl kullandığımıza uygun çok sayıda yola ihtiyacımız var. Piller, saatlerce veya günlerce süren daha kısa süreli depolama için iyi çalışır. Yenilenebilir enerjiyi depolamaya yönelik farklı yöntemlerden biri, enerjiyi aylarca tutmanın bir yolunu sağlamasıyla öne çıkıyor: enerjiyi hidrojen gibi moleküllerin kimyasal bağlarında depolamak.
Kuzeybatı Pasifik Ulusal Laboratuvarı'ndaki (PNNL) bilim insanları, onlarca yıldır süren temel araştırmalar sayesinde, katalizörlerin enerjiyi moleküler bağlara dönüştürmeye, bağlar oluşturarak enerjiyi depolamaya ve bağları kırarak serbest bırakmaya nasıl yardımcı olduğuna dair ayrıntılı bilgilerle katkıda bulundular.
Şimdi kimyager ve Laboratuvar Üyesi Tom Autrey liderliğindeki bir ekip, kimyasal enerji depolamasını bir gün mahallelere, altyapıya ve endüstriye güç sağlamaya yardımcı olabilecek pratik kurulumlara dönüştürmek için çalışıyor. Bunu başarmak için ekip, katalizörlerden reaktörlere, son ürünlere ve aradaki her şeye kadar tüm sistemleri inceliyor.
Projeye uzun süredir katkıda bulunan kimyager Mark Bowden, "Çalışmamız elektronlardan dolara kadar her şeyi dikkate alıyor" dedi. Disiplinlerarası ekip, büyük ölçekli depolama için kimyasal enerji depolama sistemlerinin pratik uygulanabilirliğini incelemek üzere kimya, mühendislik, teknoekonomi ve teorik hesaplamalardaki bilgileri birleştirir.
Ekip, PNNL'nin bu yılın sonuna doğru açılması planlanan Enerji Bilimleri Merkezi'nde destekleyici bir eve sahip olacak. Bina, 250'den fazla personele ve daha önce kampüsün çeşitli yerlerine dağılmış bir dizi gelişmiş bilimsel araca ev sahipliği yapacak ve ekibin uzun ilerleme geçmişini temel alacak işbirlikçi bir ortamı teşvik edecek. Enerji Bilimleri Merkezi'ndeki araştırmalar aynı zamanda Moleküler Elektrokataliz Merkezi aracılığıyla elektriği kimyasal bağlara dönüştürmek için yeni katalizörler geliştirmeye odaklanan çalışmaları da içerecek.
Başlangıç noktası olarak hidrojen
Autrey, kimyasal depolamayla ilgili tartışmaların genellikle tüm olasılıklar arasında en umut verici molekül olan hidrojen etrafında döndüğünü belirtti. Karbonsuz bir enerji kaynağı olarak kullanılmadan önce suyun hidrojen ve oksijen gazlarına ayrılmasıyla üretilebilmektedir. Bir yakıt hücresinde hidrojen oksijenle birleşerek elektrik ve su üretir.
Ancak saf hidrojeni gaz veya sıvı olarak depolamak lojistik açıdan zordur; büyük, yüksek basınçlı tanklar veya çok düşük sıcaklıklar gerektirir. Araştırmacılar hidrojeni moleküllerde veya materyallerde tutmak için çeşitli alternatif depolama çözümleri geliştiriyorlar.
PNNL'de Autrey ve ekibi, talep üzerine kararlı moleküllere hidrojen eklemek ve bu moleküllerden hidrojeni çıkarmak için kimyasal reaksiyonları kullanan hidrojen taşıyıcı sistemler geliştiriyor. Kimyanın bütün bir alt alanı, hidrojen ekleme ve çıkarma işlemini gerçekleştiren katalizörleri inceler. PNNL araştırmacıları, diğerlerinin yanı sıra formik asit, metilsikloheksan ve bütandiol gibi moleküllerde hidrojenin depolanmasını kolaylaştıran katalizörler tasarlama konusunda uzmanlaşmıştır.
PNNL kimyageri Ba Tran, hidrojen açısından zengin etanolün yerleşik bir katalizörle birlikte uzun süreli depolama için etil asetatla döngüye uygunluğunun test edilmesine öncülük etti. Hidrojen, ihtiyaç duyulana kadar, kullanım için serbest bırakılıncaya ve etanol etil asetata dönüştürülene kadar etanole bağlı kalır. Katalizör, tek bir etil asetat molekülüne iki hidrojen molekülü ekleyerek hidrojenleri depolayan iki kararlı etanol molekülü üretebilir.
Laboratuvarın ötesinde analiz
Tran ve meslektaşları, diğer moleküllere hidrojen ekleme ve onlardan hidrojen salmanın temel kimyasını anlamanın yanı sıra, deneysel ölçümlerden ve ileri moleküler simülasyonlardan elde edilen verileri daha büyük ölçekli sistem çalışmalarına dahil etti. Teorik kimyager Samantha Johnson, "Hidrojenin etanolde depolanması sürecinin ve diğer kimyasal enerji depolama biçimlerinin uygulama ölçekli bir sistemde nasıl davranacağını görmek istiyoruz" dedi.
Örneğin etanol çalışmasında ekip, bir mahalledeki mevsimsel enerji depolamaya uygun ölçekte bir reaktör tasarımını analiz etti. Reaksiyonların kimyası iyi çalıştı ve proje, ekibe pratik bir sistem için gereken mühendislik hakkında değerli dersler vererek onları farklı hidrojen taşıyıcılarını keşfetme konusunda yeni yönlere taşıdı.
Araştırmayı gerçeğe dayandırmak
İster bir hidrojenasyon katalizörünün nasıl çalıştığına dair moleküler ayrıntıları inceliyor ister mahalle ölçeğinde bir depolama sistemi tasarlıyor olsun, araştırmacılar her zaman araştırmayı laboratuvardan dünyaya taşımaya yardımcı olacak sorular soruyorlar. Ekip, araştırmalarının farklı bölümlerinin birbirini bilgilendirdiği ve bir enerji depolama sisteminin nasıl çalıştığına dair daha eksiksiz bir resim oluşturduğu, problem çözme konusunda döngüsel bir yaklaşım benimsiyor. Farklı teknik geçmişlere sahip araştırmacıları bir araya getirmek, ekibin daha geniş enerji depolama alanı için çözülebilir sorunları veya zorlukları belirlemesine olanak tanır.
Yeni Enerji Bilimleri Merkezinin işbirlikçi atmosferi ve ek enstrümantasyonu, ekibin gerçekleştirdiği çalışmayla uyum sağlıyor. Projeleri, PNNL'de yeni binanın varlığıyla hızlanacak olan enerjiyle ilgili geniş kapsamlı araştırmaların bir parçası. Enerji Bilimleri Merkezi, işbirliğini teşvik etmek için farklı uzmanlıklara sahip araştırmacıları bir araya getiriyor. Autrey şunları söyledi: "Toplumumuzu yenilenebilir enerjiye odaklı bir geleceğe taşımaya yardımcı olmak istiyoruz."
Araştırmacılar, ABD Enerji Bakanlığı'nın bir parçası olarak kurulan Hidrojen İleri Araştırma Konsorsiyumu (HyMARC) aracılığıyla Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi Hidrojen ve Yakıt Pili Teknolojileri Ofisi'nin desteğini kabul ediyor. Enerji Malzeme Ağı.
