Nová molekula, ktorá výrazne zvýši potenciál slnečnej energie

Slnko je nielen najbohatším zdrojom energie, ktorý človek pozná, ale je nekonečne obnoviteľné, pokiaľ tam ešte je. Pokračuje vo vytváraní úžasného množstva energie na dennej báze, či už za dažďa alebo slnka. Slnečnú energiu možno zhromažďovať a skladovať mnohými rôznymi spôsobmi a používanie slnečnej energie nevypúšťa skleníkové plyny, čo môže pomôcť znížiť vplyv zmeny klímy. Z týchto dôvodov sa slnečná energia čoraz viac vyberá ako primárny zdroj obnoviteľnej energie. Je len otázkou času, kým ľudstvo nájde spôsoby, ako efektívnejšie využívať slnečnú energiu – ako napríklad inovácia popísaná nižšie.

Manipulácia so slnečným žiarením

Existujú dva hlavné typy solárnej energie: fotovoltaika (PV) a koncentrovaná solárna energia (CSP), tiež známa ako solárna tepelná energia. Fotovoltaika premieňa slnečné svetlo priamo na elektrinu pomocou solárnych článkov v solárnych paneloch. Koncentrovaná solárna energia využíva slnečné svetlo na ohrev tekutiny, ktorá vytvára paru a poháňa turbínu na výrobu energie. FV v súčasnosti tvorí 98 % celosvetovej solárnej energie, pričom CSP tvoria zvyšné 2 %.

PV a CSP sa líšia spôsobom použitia, vyrobenou energiou a materiálmi, ktoré sa používajú pri ich konštrukcii. Účinnosť energie, ktorá sa vyrába pomocou FV zostáva konštantná s veľkosťou solárneho panelu, čo znamená, že použitie menšieho solárneho panelu oproti väčšiemu nezvýši rýchlosť výroby energie. Je to kvôli komponentom Balance-of-System (BOS), ktoré sa tiež používajú v solárnych paneloch, čo zahŕňa hardvér, zlučovacie boxy a invertory.

S CSP platí, že čím väčší, tým lepší. Keďže využíva teplo zo slnečných lúčov, čím viac slnečného svetla je možné zhromaždiť, tým lepšie. Tento systém je veľmi podobný súčasným elektrárňam na fosílne palivá. Hlavný rozdiel spočíva v tom, že CSP používa zrkadlá, ktoré odrážajú teplo zo slnečného žiarenia na ohrev tekutín (namiesto spaľovania uhlia alebo zemného plynu), ktoré vytvárajú paru na otáčanie turbín. Vďaka tomu je CSP tiež vhodný pre hybridné zariadenia, ako sú plynové turbíny s kombinovaným cyklom (CCGT), ktoré využívajú slnečnú energiu a zemný plyn na otáčanie turbín a na výrobu energie. S CSP poskytuje výstup energie z prichádzajúcej slnečnej energie iba 16 % čistej elektriny. Výstup energie CCGT poskytuje ~55% čistej elektriny, oveľa viac ako samotný CSP.

Zo skromných začiatkov

Anders Bo Skov a Mogens Brøndsted Nielsen z Univerzity v Kodani sa pokúšajú vyvinúť molekulu, ktorá je schopná zbierať, skladovať a uvoľňovať slnečnú energiu efektívnejšie ako PV alebo CSP. Pomocou systému dihydroazulén/vinylhepta fulvene, skrátene DHA/VHF, táto dvojica urobila veľké pokroky vo svojom výskume. Jedným problémom, s ktorým sa spočiatku stretli, bolo to, že ako sa skladovacia kapacita molekúl DHA/VHF zvyšovala, schopnosť udržať energiu počas dlhšieho časového obdobia sa znižovala. Mogens Brøndsted Nielsen, profesor z Katedry chémie, povedal: „Bez ohľadu na to, čo sme urobili, aby sme tomu zabránili, molekuly by zmenili svoj tvar späť a uvoľnili uloženú energiu už po hodine alebo dvoch. Andersovým úspechom bolo, že sa mu podarilo zdvojnásobiť hustotu energie v molekule, ktorá dokáže udržať svoj tvar sto rokov. Naším jediným problémom teraz je, ako ho prinútiť znova uvoľniť energiu. Zdá sa, že molekula nechce znova zmeniť svoj tvar."

Keďže tvar novej molekuly je stabilnejší, dokáže udržať energiu dlhšie, no zároveň uľahčuje prácu. Existuje teoretický limit, koľko energie môže daná jednotka molekúl pojať, toto sa nazýva hustota energie. Teoreticky 1 kilogram (2.2 libry) takzvanej „dokonalej molekuly“ dokáže uložiť 1 megajoule energie, čo znamená, že dokáže zadržať maximálne množstvo energie a podľa potreby ju uvoľniť. To je približne dostatok energie na zahriatie 3 litrov (0.8 galónu) vody z izbovej teploty do varu. Rovnaké množstvo Skovových molekúl dokáže zohriať 750 mililitrov (3.2 litra) z izbovej teploty do varu za 3 minúty alebo 15 litrov (4 galóny) za jednu hodinu. Aj keď molekuly DHA/VHF nedokážu uložiť toľko energie ako „dokonalá molekula“, je to značné množstvo.

Veda za molekulou

Systém DHA/VHF sa skladá z dvoch molekúl, DHA a VHF. Molekula DHA je zodpovedná za ukladanie slnečnej energie a VHF ju uvoľňuje. Robia to tak, že pri pôsobení vonkajších podnetov, v tomto prípade slnečného žiarenia a tepla, menia tvar. Keď je DHA vystavená slnečnému žiareniu, ukladá slnečnú energiu, čím molekula mení svoj tvar na formu VHF. V priebehu času VHF zhromažďuje teplo, akonáhle sa ho zhromaždí dostatok, vráti sa späť do svojej formy DHA a uvoľní slnečnú energiu.

Na konci dňa

Anders Bo Skov je z novej molekuly skôr nadšený a má na to dobrý dôvod. Aj keď ešte nedokáže úplne uvoľniť energiu, Skov hovorí: „Pokiaľ ide o skladovanie solárnej energie, našou najväčšou konkurenciou sú lítium-iónové batérie a lítium je jedovatý kov. Moja molekula pri práci neuvoľňuje ani CO2, ani žiadne iné chemické zlúčeniny. Je to „výstup slnečného svetla“. A keď sa molekula jedného dňa opotrebuje, degraduje sa na farbivo, ktoré sa nachádza aj v kvetoch harmančeka.“ Nielenže sa molekula používa v procese, ktorý počas používania neuvoľňuje takmer žiadne skleníkové plyny, ale keď sa nakoniec rozloží na inertnú chemikáliu, ktorá sa prirodzene nachádza v životnom prostredí.