Cường độ của các nguồn tài nguyên thiên nhiên cung cấp năng lượng tái tạo thay đổi theo từng ngày, cũng như theo mùa. Mùa xuân mang đến những cơn gió lớn quét qua các sa mạc và lấp đầy các dòng sông bằng băng tuyết. Mùa hè đồng nghĩa với những giờ nắng dài trước khi ngày ngắn lại khi mùa thu chuyển sang mùa đông.
Chúng ta cần vô số cách để lưu trữ năng lượng tái tạo phù hợp với cách chúng ta sử dụng nó, từ pin đến pin nhiên liệu. Pin hoạt động tốt trong thời gian lưu trữ ngắn hơn, theo thứ tự hàng giờ đến hàng ngày. Trong số các phương pháp lưu trữ năng lượng tái tạo khác nhau, một phương pháp nổi bật là cung cấp một cách để duy trì năng lượng trong nhiều tháng tại một thời điểm: lưu trữ năng lượng trong các liên kết hóa học của các phân tử như hydro.
Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu cơ bản, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) đã đóng góp thông tin chi tiết về cách chất xúc tác giúp chuyển đổi năng lượng thành các liên kết phân tử, lưu trữ năng lượng bằng cách tạo liên kết và giải phóng nó bằng cách phá vỡ liên kết.
Giờ đây, một nhóm do nhà hóa học và thành viên Phòng thí nghiệm Tom Autrey dẫn đầu đang làm việc để biến việc lưu trữ năng lượng hóa học thành các thiết lập thực tế mà một ngày nào đó có thể giúp cung cấp năng lượng cho các khu dân cư, cơ sở hạ tầng và ngành công nghiệp. Để làm được điều đó, nhóm đang nghiên cứu toàn bộ hệ thống, từ chất xúc tác đến lò phản ứng cho đến sản phẩm cuối cùng — và mọi thứ ở giữa.
Nhà hóa học Mark Bowden, người đóng góp lâu năm cho dự án cho biết: “Công việc của chúng tôi xem xét mọi thứ, từ điện tử đến đô la. Nhóm liên ngành kết hợp kiến thức về hóa học, kỹ thuật, kinh tế công nghệ và tính toán lý thuyết để kiểm tra khả năng tồn tại thực tế của các hệ thống lưu trữ năng lượng hóa học để lưu trữ quy mô lớn.
Nhóm sẽ có một ngôi nhà hỗ trợ tại Trung tâm Khoa học Năng lượng của PNNL, dự kiến mở cửa vào cuối năm nay. Tòa nhà sẽ có hơn 250 nhân viên và một bộ công cụ khoa học tiên tiến trước đây nằm rải rác xung quanh khuôn viên trường, thúc đẩy một môi trường hợp tác để xây dựng dựa trên lịch sử phát triển lâu dài của đội. Nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Năng lượng cũng sẽ bao gồm các công việc tập trung vào việc phát triển các chất xúc tác mới để chuyển đổi điện năng thành các liên kết hóa học thông qua Trung tâm Điện phân tử.
Hydro là điểm khởi đầu
Autrey lưu ý rằng các cuộc thảo luận liên quan đến việc lưu trữ hóa chất thường xoay quanh hydro là phân tử hứa hẹn nhất trong tất cả các khả năng. Nó có thể được sản xuất bằng cách tách nước thành khí hydro và oxy trước khi được sử dụng như một nguồn năng lượng không có carbon. Trong pin nhiên liệu, hydro kết hợp với oxy để tạo ra điện và nước.
Tuy nhiên, việc lưu trữ hydro tinh khiết dưới dạng khí hoặc chất lỏng rất khó khăn về mặt hậu cần, đòi hỏi phải có bình chứa lớn, áp suất cao hoặc nhiệt độ rất thấp. Các nhà nghiên cứu đang phát triển một loạt các giải pháp lưu trữ thay thế để giữ hydro trong các phân tử hoặc vật liệu.
Tại PNNL, Autrey và nhóm đang phát triển các hệ thống mang hydro khai thác các phản ứng hóa học để thêm và loại bỏ hydro khỏi các phân tử ổn định theo yêu cầu. Toàn bộ một lĩnh vực hóa học nghiên cứu các chất xúc tác thực hiện việc bổ sung và loại bỏ hydro. Các nhà nghiên cứu PNNL chuyên thiết kế các chất xúc tác tạo điều kiện lưu trữ hydro trong các phân tử như axit formic, metylcyclohexan và butanediol, trong số những chất khác.
Nhà hóa học PNNL Ba Trân đã dẫn đầu công trình thử nghiệm tính phù hợp của etanol giàu hydro, kết hợp với chất xúc tác đã được thiết lập, chu trình với etyl axetat để lưu trữ lâu dài. Hydro vẫn liên kết với etanol cho đến khi cần thiết, khi nó có thể được giải phóng để sử dụng và etanol chuyển thành etyl axetat. Chất xúc tác có thể thêm hai phân tử hydro vào một phân tử etyl axetat duy nhất, tạo ra hai phân tử etanol ổn định lưu trữ hydro.
Phân tích ngoài phòng thí nghiệm
Ngoài sự hiểu biết về hóa học cơ bản của việc thêm và giải phóng hydro từ các phân tử khác, Tran và các đồng nghiệp của mình đã kết hợp dữ liệu từ các phép đo thực nghiệm và mô phỏng phân tử nâng cao vào các nghiên cứu về các hệ thống quy mô lớn hơn. Nhà hóa học lý thuyết Samantha Johnson cho biết: “Chúng tôi muốn xem quá trình lưu trữ hydro trong ethanol - và các dạng lưu trữ năng lượng hóa học khác - sẽ hoạt động như thế nào trong một hệ thống quy mô ứng dụng.
Ví dụ, trong nghiên cứu về ethanol, nhóm nghiên cứu đã phân tích thiết kế lò phản ứng ở quy mô phù hợp với việc lưu trữ năng lượng theo mùa trong khu vực lân cận. Hóa học của các phản ứng hoạt động tốt và dự án đã dạy cho nhóm những bài học quý giá về kỹ thuật cần thiết cho một hệ thống thực tế, đưa họ theo những hướng mới để khám phá các chất mang hydro khác nhau.
Nghiên cứu cơ sở trong thực tế
Cho dù nghiên cứu các chi tiết phân tử về cách thức hoạt động của chất xúc tác hydro hóa hay kỹ thuật một hệ thống lưu trữ quy mô lân cận, các nhà nghiên cứu luôn đặt ra những câu hỏi sẽ giúp chuyển nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra thế giới. Nhóm thực hiện một cách tiếp cận theo chu kỳ để giải quyết vấn đề, trong đó các phần khác nhau trong nghiên cứu của họ thông báo cho nhau và tạo ra một bức tranh hoàn chỉnh hơn về cách thức hoạt động của một hệ thống lưu trữ năng lượng. Và việc tập hợp các nhà nghiên cứu với nền tảng kỹ thuật đa dạng cho phép nhóm xác định các vấn đề hoặc thách thức có thể giải quyết được đối với lĩnh vực lưu trữ năng lượng rộng lớn hơn.
Bầu không khí hợp tác và thiết bị bổ sung của Trung tâm Khoa học Năng lượng mới phù hợp với công việc mà nhóm thực hiện. Dự án của họ là một phần của loạt nghiên cứu liên quan đến năng lượng tại PNNL sẽ được đẩy nhanh khi có sự hiện diện của tòa nhà mới. Trung tâm Khoa học Năng lượng tập hợp các nhà nghiên cứu với các chuyên ngành khác nhau để khuyến khích sự hợp tác. Autrey nói: "Chúng tôi muốn giúp thúc đẩy xã hội của chúng tôi hướng tới một tương lai tập trung vào năng lượng tái tạo."
Các nhà nghiên cứu thừa nhận sự hỗ trợ từ Văn phòng Công nghệ Tế bào Nhiên liệu và Hydro của Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo, thông qua Hiệp hội Nghiên cứu Tiên tiến Hydro (HyMARC), được thành lập như một phần của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Năng lượng Mạng lưới Vật liệu.
