Ný sameind til að magna til muna sólarorkugetu

Sólin er ekki aðeins algengasta orkugjafinn sem maðurinn þekkir, hún er óendanlega endurnýjanleg, svo framarlega sem hún er enn til staðar. Það heldur áfram að framleiða ótrúlegt magn af orku á hverjum degi, rigningu eða skíni. Hægt er að safna og geyma sólarorku á marga mismunandi vegu og notkun sólarorku gefur ekki frá sér gróðurhúsalofttegundir sem geta hjálpað til við að draga úr áhrifum loftslagsbreytinga. Vegna þessara ástæðna er sólarorka að verða meira valin sem aðal uppspretta endurnýjanlegrar orku. Það er aðeins tímaspursmál þar til mannkynið finnur leiðir til að nýta sólarorku á skilvirkari hátt - eins og nýsköpunin sem lýst er hér að neðan.

Meðhöndla sólarljós

Það eru tvær megingerðir sólarorku: ljósvökva (PV) og einbeitt sólarorka (CSP), einnig þekkt sem sólvarmaorka. Ljósvökvi umbreyta sólarljósi beint í rafmagn með því að nota sólarsellur í sólarrafhlöðum. Þétt sólarorka notar sólarljós til að hita vökva sem myndar gufu og knýr hverfla til að búa til orku. PV samanstendur nú af 98% af sólarorku á heimsvísu, með CSP sem eftir 2%.

PV og CSP eru mismunandi eftir því hvernig þau eru notuð, orkuna sem er framleidd og efnin sem eru notuð í smíði þeirra. Skilvirkni orkunnar sem er framleidd með PV helst stöðug með stærð sólarplötunnar, sem þýðir að notkun minni fram yfir stærri sólarplötu mun ekki auka hraða orkuframleiðslunnar. Þetta er vegna jafnvægis-of-System (BOS) íhlutanna sem eru einnig notaðir í sólarrafhlöður, sem felur í sér vélbúnað, sameinakassa og invertera.

Með CSP er stærra betra. Þar sem það notar hita frá sólargeislum, því meira sólarljós sem hægt er að safna því betra. Þetta kerfi er mjög svipað jarðefnaeldsneytisvirkjunum sem eru í notkun í dag. Helsti munurinn er sá að CSP notar spegla sem endurspegla hita frá sólarljósi til að hita vökva (í stað þess að brenna kolum eða jarðgasi), sem mynda gufu til að snúa hverflum. Þetta gerir CSP einnig vel við hæfi í blendingsverksmiðjum, svo sem samsettum hringrás gasturbínu (CCGT), sem nota sólarorku og jarðgas til að snúa hverflum og framleiða orku. Með CSP skilar orkuframleiðsla frá komandi sólarorku aðeins 16% nettó rafmagns. CCGT orkuframleiðsla skilar ~55% nettó rafmagni, miklu meira en CSP einn.

Frá hógværu upphafi

Anders Bo Skov og Mogens Brøndsted Nielsen frá Kaupmannahafnarháskóla eru að reyna að þróa sameind sem er fær um að uppskera, geyma og losa sólarorku á skilvirkari hátt en PV eða CSP. Með því að nota díhýdróazúlen/vínýl hepta fulven kerfið, DHA/VHF í stuttu máli, hafa parið tekið miklum framförum í rannsóknum sínum. Eitt vandamál sem þeir lentu í í upphafi var að þegar geymslugeta DHA/VHF sameindanna jókst minnkaði getu til að halda orkunni yfir langan tíma. Mogens Brøndsted Nielsen, prófessor við efnafræðideild, sagði „Óháð því hvað við gerðum til að koma í veg fyrir það, myndu sameindirnar breyta lögun sinni aftur og losa geymda orku eftir aðeins klukkutíma eða tvo. Afrek Anders var að hann náði að tvöfalda orkuþéttleika sameindar sem getur haldið lögun sinni í hundrað ár. Eina vandamálið okkar núna er hvernig við fáum það til að losa orkuna aftur. Sameindin virðist ekki vilja breyta lögun sinni aftur.“

Þar sem lögun nýju sameindarinnar er stöðugri getur hún haldið orkunni lengur, en það gerir það líka auðveldara að vinna með hana. Það eru fræðileg takmörk fyrir því hversu mikla orku ákveðin eining sameinda getur haldið, þetta er kallað orkuþéttleiki. Fræðilega séð getur 1 kíló (2.2 pund) af svokallaðri „fullkominni sameind“ geymt 1 megajoule af orku, sem þýðir að hún getur haldið hámarks orkumagni og losað hana eftir þörfum. Þetta er um það bil næg orka til að hita 3 lítra (0.8 lítra) af vatni frá stofuhita til suðu. Sama magn af sameindum Skov getur hitað 750 millilítra (3.2 lítra) frá stofuhita til suðu á 3 mínútum, eða 15 lítra (4 lítra) á einni klukkustund. Þó að DHA/VHF sameindirnar geti ekki geymt eins mikla orku og „fullkomin sameind“ getur, þá er það umtalsvert magn.

Vísindin á bak við sameindina

DHA/VHF kerfið er samsett úr tveimur sameindum, DHA og VHF. DHA sameindin sér um að geyma sólarorkuna og VHF losar hana. Þetta gera þeir með því að breyta um lögun þegar þeir kynnast utanaðkomandi áreiti, í þessu tilviki sólarljósi og hita. Þegar DHA verður fyrir sólarljósi geymir það sólarorkuna, með því breytir sameindin lögun sinni í VHF form. Með tímanum safnar VHF hita, þegar það hefur safnað nógu miklu fer það aftur í DHA form sitt og losar sólarorkuna.

Í lok dags

Anders Bo Skov er frekar spenntur fyrir nýju sameindinni og það að ástæðulausu. Jafnvel þó að það geti ekki losað orku alveg ennþá, segir Skov „Þegar kemur að því að geyma sólarorku kemur stærsta samkeppni okkar frá litíumjónarafhlöðum og litíum er eitraður málmur. Sameindin mín losar hvorki CO2 né önnur efnasambönd á meðan hún vinnur. Það er „sólarljós í krafti út“. Og þegar sameindin slitnar einn daginn brotnar hún niður í litarefni sem er einnig að finna í kamilleblómum.“ Ekki aðeins er sameindin notuð í ferli sem losar litlar sem engar gróðurhúsalofttegundir við notkun hennar, þegar hún brotnar að lokum niður gerir hún það í óvirkt efni sem er náttúrulega að finna í umhverfinu.