Nieuw molecuul om het potentieel van zonne-energie enorm te vergroten

Niet alleen is de zon de meest overvloedige energiebron die de mens kent, hij is oneindig hernieuwbaar, zolang hij er nog is. Het blijft dagelijks verbazingwekkende hoeveelheden energie opwekken, regen of zonneschijn. Zonne-energie kan op veel verschillende manieren worden verzameld en opgeslagen, en het gebruik van zonne-energie stoot geen broeikasgassen uit, wat de impact van klimaatverandering kan helpen verminderen. Om deze redenen wordt zonne-energie steeds vaker gekozen als primaire bron voor hernieuwbare energie. Het is slechts een kwestie van tijd voordat de mensheid manieren vindt om zonne-energie efficiënter te gebruiken – zoals de hieronder beschreven innovatie.

Zonlicht manipuleren

Er zijn twee hoofdtypen zonne-energie: fotovoltaïsche energie (PV) en geconcentreerde zonne-energie (CSP), ook wel thermische zonne-energie genoemd. Fotovoltaïsche cellen zetten zonlicht direct om in elektriciteit met behulp van zonnecellen in zonnepanelen. Geconcentreerde zonne-energie gebruikt zonlicht om een ​​vloeistof te verwarmen die stoom genereert en een turbine aandrijft om energie op te wekken. PV omvat momenteel 98% van de wereldwijde zonne-energie, met CSP als de resterende 2%.

PV en CSP variëren in de manier waarop ze worden gebruikt, de energie die wordt geproduceerd en de materialen die bij de constructie worden gebruikt. De efficiëntie van de energie die wordt geproduceerd met PV blijft constant met de grootte van het zonnepaneel, wat betekent dat het gebruik van een kleiner in plaats van een groter zonnepaneel de energieproductie niet zal verhogen. Dit komt door de Balance-of-System (BOS) componenten die ook in zonnepanelen worden gebruikt, waaronder de hardware, combinerboxen en omvormers.

Bij CSP is groter beter. Omdat het de warmte van de zonnestralen gebruikt, hoe meer zonlicht er kan worden opgevangen, hoe beter. Dit systeem lijkt erg op de fossiele energiecentrales die tegenwoordig in gebruik zijn. Het grote verschil is dat CSP spiegels gebruikt die de warmte van zonlicht weerkaatsen om vloeistoffen te verwarmen (in plaats van kolen of aardgas te verbranden), die stoom opwekken om turbines te laten draaien. Dit maakt CSP ook zeer geschikt voor hybride installaties, zoals gasturbines met een gecombineerde cyclus (CCGT), die zonne-energie en aardgas gebruiken om turbines te laten draaien en zo energie op te wekken. Met CSP levert de energie-output van inkomende zonne-energie slechts 16% netto elektriciteit op. STEG-energie-output levert ~ 55% netto elektriciteit op, veel meer dan CSP alleen.

Van een bescheiden begin

Anders Bo Skov en Mogens Brøndsted Nielsen van de Universiteit van Kopenhagen proberen een molecuul te ontwikkelen dat zonne-energie efficiënter kan oogsten, opslaan en vrijgeven dan PV of CSP. Door gebruik te maken van het dihydroazuleen/vinyl hepta fulveen systeem, kortweg DHA/VHF, heeft het paar grote vooruitgang geboekt in hun onderzoek. Een probleem dat ze aanvankelijk tegenkwamen, was dat naarmate de opslagcapaciteit van de DHA/VHF-moleculen toenam, het vermogen om de energie gedurende een langere periode vast te houden afnam. Mogens Brøndsted Nielsen, een professor van de afdeling Scheikunde, zei: “Ongeacht wat we deden om het te voorkomen, de moleculen zouden hun vorm weer veranderen en de opgeslagen energie na slechts een uur of twee vrijgeven. De prestatie van Anders was dat hij erin slaagde de energiedichtheid te verdubbelen in een molecuul dat honderd jaar zijn vorm kan behouden. Ons enige probleem is nu hoe we ervoor zorgen dat de energie weer vrijkomt. Het molecuul lijkt zijn vorm niet meer terug te willen veranderen.”

Omdat de vorm van het nieuwe molecuul stabieler is, kan het de energie langer vasthouden, maar het maakt het ook gemakkelijker om mee te werken. Er is een theoretische limiet aan hoeveel energie een bepaalde eenheid moleculen kan bevatten, dit wordt energiedichtheid genoemd. Theoretisch kan 1 kilogram (2.2 pond) van een zogenaamd "perfect molecuul" 1 megajoule energie opslaan, wat betekent dat het de maximale hoeveelheid energie kan vasthouden en indien nodig kan vrijgeven. Dit is ongeveer genoeg energie om 3 liter (0.8 gallon) water te verwarmen van kamertemperatuur tot koken. Dezelfde hoeveelheid Skov-moleculen kan 750 milliliter (3.2 liter) van kamertemperatuur tot koken in 3 minuten verwarmen, of 15 liter (4 gallon) in één uur. Hoewel de DHA/VHF-moleculen niet zoveel energie kunnen opslaan als een "perfect molecuul", is het een aanzienlijke hoeveelheid.

De wetenschap achter het molecuul

Het DHA/VHF-systeem bestaat uit twee moleculen, DHA en VHF. Het DHA-molecuul is verantwoordelijk voor het opslaan van de zonne-energie en VHF geeft het vrij. Ze doen dit door van vorm te veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan externe prikkels, in dit geval zonlicht en warmte. Wanneer DHA wordt blootgesteld aan zonlicht, slaat het de zonne-energie op, hierdoor verandert het molecuul van vorm naar de VHF-vorm. Na verloop van tijd verzamelt VHF warmte, zodra het voldoende heeft verzameld, keert het terug naar zijn DHA-vorm en geeft het de zonne-energie vrij.

Aan het eind van de dag

Anders Bo Skov is nogal enthousiast over het nieuwe molecuul, en terecht. Ook al kan het nog niet helemaal energie vrijmaken, zegt Skov: “Als het gaat om het opslaan van zonne-energie, komt onze grootste concurrentie van lithium-ionbatterijen en lithium is een giftig metaal. Mijn molecuul laat tijdens het werken geen CO2 of andere chemische verbindingen vrij. Het is 'zonlicht in-kracht uit'. En als het molecuul op een dag versleten is, degradeert het tot een kleurstof die ook in kamillebloemen zit.” Niet alleen wordt het molecuul gebruikt in een proces waarbij tijdens het gebruik weinig tot geen broeikasgassen vrijkomen, wanneer het uiteindelijk wordt afgebroken tot een inerte chemische stof die van nature in het milieu wordt aangetroffen.