Uusi molekyyli, joka lisää merkittävästi aurinkoenergiapotentiaalia

Aurinko ei ole vain runsain ihmisen tuntema energianlähde, vaan se on äärettömästi uusiutuva, niin kauan kuin se on edelleen olemassa. Se tuottaa edelleen hämmästyttäviä määriä energiaa päivittäin, satoi tai paistoi. Aurinkoenergiaa voidaan kerätä ja varastoida monella eri tavalla, eikä aurinkoenergian käyttö tuota kasvihuonekaasuja, mikä voi auttaa vähentämään ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Näistä syistä aurinkoenergiaa valitaan yhä laajemmin uusiutuvan energian ensisijaiseksi lähteeksi. On vain ajan kysymys, milloin ihmiskunta löytää keinoja aurinkoenergian tehokkaampaan hyödyntämiseen – kuten alla kuvatun innovaation.

Auringonvalon manipulointi

Aurinkoenergiaa on kahta päätyyppiä: aurinkosähkö (PV) ja keskitetty aurinkoenergia (CSP), joka tunnetaan myös aurinkolämpövoimana. Aurinkosähkö muuttaa auringonvalon suoraan sähköksi aurinkokennojen avulla. Keskitetty aurinkovoima käyttää auringonvaloa nesteen lämmittämiseen, joka tuottaa höyryä ja käyttää turbiinia energian tuottamiseen. PV muodostaa tällä hetkellä 98 prosenttia maailman aurinkoenergiasta, ja loput 2 prosenttia on CSP:tä.

PV ja CSP vaihtelevat niiden käyttötavan, tuotetun energian ja rakennusmateriaalien mukaan. PV:llä tuotetun energian hyötysuhde pysyy vakiona aurinkopaneelin koon mukaan, mikä tarkoittaa, että pienemmän käyttäminen suurempaan aurinkopaneeliin ei lisää energian tuotantonopeutta. Tämä johtuu Balance-of-System (BOS) -komponenteista, joita käytetään myös aurinkopaneeleissa, mukaan lukien laitteistot, yhdistämislaatikot ja invertterit.

CSP:llä isompi on parempi. Koska se käyttää auringonsäteiden lämpöä, mitä enemmän auringonvaloa voidaan kerätä, sitä parempi. Tämä järjestelmä on hyvin samanlainen kuin nykyään käytössä olevat fossiilisten polttoaineiden voimalaitokset. Suurin ero on, että CSP käyttää peilejä, jotka heijastavat auringonvalon lämpöä nesteiden lämmittämiseen (hiilen tai maakaasun polttamisen sijaan), jotka tuottavat höyryä turbiinien kääntämiseksi. Tämä tekee CSP:stä myös hyvin sopivan hybridilaitoksille, kuten yhdistetylle kaasuturbiinille (CCGT), jotka käyttävät aurinkoenergiaa ja maakaasua turbiinien kääntämiseen energian tuottamiseen. CSP:n avulla saapuvan aurinkoenergian tuotto tuottaa vain 16 % nettosähköstä. CCGT-energian tuotanto tuottaa ~55 % nettosähköstä, paljon enemmän kuin pelkkä CSP.

Nöyrästä alusta

Anders Bo Skov ja Mogens Brøndsted Nielsen Kööpenhaminan yliopistosta yrittävät kehittää molekyyliä, joka pystyy keräämään, varastoimaan ja vapauttamaan aurinkoenergiaa tehokkaammin kuin PV tai CSP. Käyttämällä dihydroatsuleeni/vinyylihepta fulvene -järjestelmää, lyhyesti sanottuna DHA/VHF, pariskunta on saavuttanut suuria harppauksia tutkimuksessaan. Yksi ongelma, jonka he kohtasivat alun perin, oli se, että kun DHA/VHF-molekyylien varastointikapasiteetti kasvoi, kyky säilyttää energiaa pitkiä aikoja heikkeni. Kemian laitoksen professori Mogens Brøndsted Nielsen sanoi: "Riippumatta siitä, mitä teimme estääksemme sen, molekyylit muuttivat muotoaan takaisin ja vapauttavat varastoidun energian vain tunnin tai kahden kuluttua. Andersin saavutus oli, että hän onnistui kaksinkertaistamaan energiatiheyden molekyylissä, joka voi säilyttää muotonsa sata vuotta. Ainoa ongelmamme on nyt, kuinka saamme sen vapauttamaan energiaa uudelleen. Molekyyli ei näytä haluavan muuttaa muotoaan takaisin."

Koska uuden molekyylin muoto on vakaampi, se voi pitää energiaa pidempään, mutta se myös helpottaa sen kanssa työskentelyä. On olemassa teoreettinen raja sille, kuinka paljon energiaa määrätty molekyyliyksikkö voi sisältää, tätä kutsutaan energiatiheydeksi. Teoreettisesti 1 kilogramma (2.2 paunaa) niin sanottua "täydellistä molekyyliä" voi varastoida 1 megajoulen energiaa, mikä tarkoittaa, että se voi pitää sisällään maksimimäärän energiaa ja vapauttaa sitä tarpeen mukaan. Tämä riittää noin energian lämmittämiseen 3 litraa (0.8 gallonaa) vettä huoneenlämpötilasta kiehuvaksi. Sama määrä Skov-molekyylejä voi lämmittää 750 millilitraa (3.2 litraa) huoneenlämpötilasta kiehumispisteeseen 3 minuutissa tai 15 litraa (4 gallonaa) yhdessä tunnissa. Vaikka DHA/VHF-molekyylit eivät pysty varastoimaan yhtä paljon energiaa kuin "täydellinen molekyyli", se on merkittävä määrä.

Tiede molekyylin takana

DHA/VHF-järjestelmä koostuu kahdesta molekyylistä, DHA:sta ja VHF:stä. DHA-molekyyli on vastuussa aurinkoenergian varastoinnista, ja VHF vapauttaa sitä. He tekevät tämän muuttamalla muotoaan ulkoisten ärsykkeiden, tässä tapauksessa auringonvalon ja lämmön, vaikutuksesta. Kun DHA altistuu auringonvalolle, se varastoi aurinkoenergian, jolloin molekyyli muuttaa muotonsa VHF-muotoon. Ajan myötä VHF kerää lämpöä, kun se on kerännyt tarpeeksi, se palaa takaisin DHA-muotoonsa ja vapauttaa aurinkoenergiaa.

Päivän päätteeksi

Anders Bo Skov on melko innoissaan uudesta molekyylistä, ja hyvästä syystä. Vaikka se ei vielä pysty vapauttamaan energiaa, Skov sanoo: ”Aurinkosähkön varastoinnissa suurin kilpailumme tulee litiumioniakuista, ja litium on myrkyllinen metalli. Molekyylini ei vapauta työskennessään CO2:ta eikä muita kemiallisia yhdisteitä. Se on "auringonvalon virta pois päältä". Ja kun molekyyli kuluu eräänä päivänä, se hajoaa väriaineeksi, jota löytyy myös kamomillan kukista." Molekyyliä ei käytetä vain prosessissa, joka vapauttaa vain vähän tai ei ollenkaan kasvihuonekaasuja käytön aikana, kun se lopulta hajoaa inertiksi kemikaaliksi, jota luonnossa esiintyy ympäristössä.