Hogyan tárolják a molekuláris napelemek a napfényt hő formájában

Napfény palackozása egy molekulában

Mi lenne, ha a napfényt egy folyadékba zárhatnánk, hónapokig vagy akár évekig tárolhatnánk, és hő formájában szabadíthatnánk fel, amikor csak szükségünk van rá – lítium, ritka fémek és hulladék nélkül? Ezt ígéri a molekuláris szoláris termikus (MOST) energiatárolás, egy olyan technológia, amely speciálisan tervezett molekulákat alakít át teljesen a nap által táplált, újratölthető üzemanyaggá.

A fotovoltaikus panelekkel ellentétben, amelyek a fényt közvetlenül elektromos árammá alakítják, a MOST rendszerek a napenergiát kémiai kötésekben tárolják. A koncepció évtizedekre nyúlik vissza, de a legújabb áttörések a lítium-ion akkumulátorok energiatartalmát is meghaladták, ami újra felkeltette az érdeklődést a korábban laboratóriumi kuriózum iránt.

Hogyan működnek a MOST rendszerek

Minden MOST rendszer szíve egy molekuláris foto-kapcsoló – egy olyan vegyület, amely a napfény hatására megváltoztatja az alakját. A folyamat három lépésben zajlik:

1. Befogás. A fotonok eltalálják az alapmolekulát, gerjesztik azt, és kiváltanak egy fotoizomerizációnak nevezett szerkezeti átrendeződést. A molekula egy feszült, nagy energiájú alakra csavarodik, amelyet metasztabil izomerként ismerünk.
2. Tárolás. Mivel a feszült izomer metasztabil, hosszú ideig – a molekuláris kialakítástól függően óráktól évekig – a magas energiájú állapotában marad, anélkül, hogy energiát veszítene.
3. Felszabadítás. Egy kis trigger – hő, katalizátor vagy egy meghatározott hullámhosszú fény – visszarántja a molekulát a nyugalmi állapotába. A tárolt energia igény szerinti hőként áramlik ki.

Döntő fontosságú, hogy nem fogyasztanak reagenseket és nem keletkeznek melléktermékek. A molekula fénnyel újratölthető és újra felhasználható, zárt hurkú, emissziómentes üzemanyagciklusként működik.

A varázslat mögött álló molekulák

A kutatók számos foto-kapcsoló családot vizsgáltak. A leginkább tanulmányozott a norbornadién–kvadriciklán (NBD–QC) pár. Amikor a norbornadién UV vagy látható fényt nyel el, kvadriciklánná alakul, és akár 0,48 MJ-t tárol kilogrammonként. A rendszer robusztus és jól érthető, de kompromisszumokkal kell szembenéznie: a molekula finomhangolása a napenergia spektrumának nagyobb részének elnyelésére gyakran lerövidíti a tárolási időt vagy csökkenti az energiasűrűséget.

Jelentős előrelépés történt a UC Santa Barbarában, ahol Grace Han docens csapata egy pirimidon alapú foto-kapcsolót tervezett – egy DNS egyik alkotóeleméből merített szerkezetet. A Science folyóiratban megjelent munka rekord energiasűrűséget ért el, 1,65 MJ-t kilogrammonként, ami nagyjából a duplája egy szabványos lítium-ion akkumulátornak. A pirimidon vízoldékony, akár három évig tárolja az energiát, és egy savas katalizátor által kiváltva elegendő hőt szabadít fel ahhoz, hogy fél másodperc alatt felforralja a vizet.

Miért fontos ez az energiaátmenet szempontjából

A hagyományos akkumulátorok kiválóan tárolják az elektromos áramot, de idővel leromlanak, bányászott fémekre támaszkodnak, és újrahasznosítási kihívásokat jelentenek. A MOST rendszerek sok ilyen problémát elkerülnek:

• Hosszú távú tárolás. A kémiai kötésekben tárolt energia nem merül le magától úgy, mint az akkumulátorok, így a MOST vonzó a szezonális vagy hosszú távú tárolásra.
• Bőséges anyagok. A molekulák szerves vegyületek, amelyek szénből, nitrogénből és oxigénből épülnek fel – olcsó és bőséges elemekből.
• Nincs kibocsátás. A töltési-kisütési ciklus nem termel üvegházhatású gázokat vagy veszélyes hulladékot.

A potenciális alkalmazások a épületek fűtésétől és az utak jégmentesítésétől a hordozható hőenergia biztosításáig terjednek hálózaton kívüli környezetben.

Kihívások a jövőben

Az ígéretek ellenére a MOST technológia még kísérleti szakaszban van. A legfontosabb akadályok közé tartozik a termelés felfuttatása, a molekulák széles napenergia spektrumának elnyelésének hatékonyságának javítása, és annak biztosítása, hogy az anyagok több ezer töltési-kisütési ciklust kibírjanak anélkül, hogy leromlanának. A tárolt hő kinyerése és hasznos hőmérsékleten történő átadása szintén mérnöki kihívást jelent.

Európa, az Egyesült Államok és Ázsia kutatói dolgoznak ezeken a problémákon, olyan programok támogatásával, mint az EU Horizon 2020 MOST projekt. Ha sikerrel járnak, a molekuláris napelemek tiszta, újrahasznosítható kiegészítést kínálhatnak a lítium-ion cellákhoz – egy módot arra, hogy palackozzuk a napot, és kinyissuk, amikor a világnak melegre van szüksége.