Płynna moc. Nowa bateria zrewolucjonizuje magazyny energii?

Wielu zwykłych, zwłaszcza młodych ludzi, którzy – jak najbardziej słusznie biorąc pod uwagę globalne ocieplenie klimatu – gardłują w sprawie upowszechnienia alternatywnych źródeł energii i zastąpienia nimi energii z paliw kopalnych, nie zdaje sobie sprawy z podstawowej tu trudności. Otóż „zielona energia” nie jest uzyskiwana przez człowieka w sposób kontrolowany. Czyli taki, jaki znamy od zarania dziejów ludzkiej kultury, mniej więcej od czasów Homo habilis: biorę polano i wrzucam w ogień – będzie mi ciepło przez godzinę, a potem musze wrzucić kolejne polano. W tym celu w dzień zbieram drewno, w nocy je spalam. Czy wyrazimy to w tonach węgla, czy gramach uranu, elektrownia przerabia – w sposób dostosowany do zapotrzebowania sieci energetycznej, energię chemiczną czy jądrową, w elektryczną i cieplną.

Wiatr zaś raz wieje, raz nie wieje, nawet na morskim wybrzeżu czy w górach. Słońce, niczym w wierszyku Brzechwy, „świeci w dzień, kiedy i tak jest jasno” – a nawet tylko wtedy. Jego zaś promieniowanie i w owym czasie bywa skutecznie zatrzymywane w niemałym stopniu przez zachmurzenie czy smog. W rejonach poza strefą równik-zwrotniki, w których zapotrzebowanie na energię, ze względu na chłodniejszy klimat, jest wyższe, występują dodatkowo sezonowe zmiany natężenia światła słonecznego padającego na ziemię. Oznacza to, że ilość dostarczanej w ten sposób energii jest w znacznym stopniu nieprzewidywalna – czego systemy przesyłu po prostu nie tolerują. Jeszcze gorzej, że gros tej energii się marnuje – po prostu już dziś są sytuacje, że jest jej za dużo dla wspomnianych systemów – nie da się „wtłoczyć” więcej. Para cała idzie wówczas w przysłowiowy gwizdek. Trochę szkoda, biorąc pod uwagę i koszty takich instalacji, i ceny „zielonej” energii.

Czuję się dziwacznie, gdy na portalu swą nazwę biorącym od energii, muszę na początku wyjaśnić to pojęcie – ale bez tego dalej nie pójdziemy. Energia zatem to wielkość fizyczna charakteryzująca układ, a mówiąca, jaka ma on zdolność do wykonania pracy. Nie da się jej z niczego stworzyć, ani unicestwić. Można jednak jeden rodzaj energii (chociażby wspomnianą energię słoneczną zmagazynowaną dzięki fotosyntezie w tkankach paproci drzewiastych rosnących na naszej planecie jakieś 320 mln lat temu, następnie upadłych w lokalne błoto i skarbonizowanych, po czym wykopanych i dostarczonych do elektrowni) zmienić na inny – w naszych czasach najchętniej na energię elektryczną.

Wśród wielu typów energii otaczających nas, dość powszechna jest – chociażby dlatego ze w oparciu o nią działa nasz własny metabolizm – energia wiązań chemicznych. W swej naturze przypomina nieco energię potencjalną. W związku chemicznym, na drodze wytworzenia jakiegoś wiązania chemicznego, daje się zatem zmagazynować energię, a podczas rozrywania owego wiązania – energia ta jest uwalniana. Rzecz nie jest banalna, na ogół potrzeba przełamać swoistą niechęć atomów do łączenia się w związki chemiczne, a znów istniejących wiązań chemicznych do rozpadu, zwaną energią aktywacji (trzeba jej na wstępie dostarczyć nawet dla reakcji egzoenergetycznych, czyli zachodzących z wydzieleniem energii).

Po tej skromnej powtórce z chemii z klasy 7 i 8 szkoły podstawowej możemy iść dalej. Dużo dalej zaszli na tej drodze tworzenia wiązań chemicznych w celu zmagazynowania energii na potrzeby Kalifornii chemicy z Uniwersytetu Stanforda – a zwłaszcza błyskotliwy doktorant, pierwszy autor pracy na łamach prestiżowego JACS, czyli „Journal of the American Chemical Society” Daniel Marron, pracujący pod kierunkiem prof. Roberta Waymoutha.

Kalifornii coraz bardziej „zielonej”, a jednocześnie ssącej energię elektryczną dla swych niezliczonych komputerów niczym wampir krew, a zatem w coraz głębszej żyjącej ciemności. I to dosłownie. Wg serwisu Bloomenergy w 2019 r. odnotowano 25 281 przerw w dostawie prądu, co stanowi wzrost o 23 proc. w porównaniu z 2018 r. Liczba klientów usług komunalnych, których to dotyczyło, wzrosła w 2019 r. do 28,4 mln (o 50 proc. w porównaniu z 2018 r.), a gros tych przypadków dotyczyła największych miast: Los Angeles, San Jose, San Diego i Sacramento. Niestety. Mimo od niedawna wdrażanego, a szeroko zakrojonego programu naprawczego sieci energetycznej i stawiania baterii jakich się da, gdzie się da, jak doniósł 25 kwietnia tego roku Los AngelesTimes: „magazynowanie energii w bateriach w Kalifornii szybko rośnie, ale nie na tyle, by zakończyć przerwy w dostawie prądu, mówi gubernator Newsom”.

Wspomniany prof. Waymouth kieruje zespołem, który bada nową technologię magazynowania energii odnawialnej: ciekłe organiczne nośniki wodoru (LOHC). „Opracowujemy nową strategię selektywnej konwersji i długoterminowego przechowywania energii elektrycznej w paliwach ciekłych. Odkryliśmy również nowy, selektywny układ katalityczny do przechowywania energii elektrycznej w paliwie ciekłym bez wytwarzania gazowego wodoru” – tak uczony streścił swoje osiągniecie dla służb prasowych Uniwersytetu Stanforda.

Wodór jest już używany jako paliwo lub środek do wytwarzania energii elektrycznej, ale jego przechowywanie i transportowanie jest trudne i wiąże się z wysokim ryzykiem eksplozji. Natomiast LOHC mogą przechowywać i uwalniać wodór za pomocą katalizatorów i podwyższonych temperatur, mogłyby zatem powszechnie funkcjonować jako „akumulatory ciekłe”, przechowując energię i wydajnie oddając ją, oraz jako użyteczne paliwo lub źródło energii elektrycznej w razie potrzeby. Pomysł jest koncepcyjnie prosty: znaleźć związek organiczny, który da się tanio uwodornić, tak, aby żaden wodór nam się tu nie ulatniał i nie zagrażał wybuchem. W razie potrzeby musi się dać efekt tej pierwszej reakcji równie tanio (koszt jest tu kosztem katalizatora tej reakcji) odwodornić, czyli odzyskać zmagazynowaną energię.

Zespół chemików ze Stanfordu badał układ, gdzie aceton jest uwodorniany do izopropanolu. Obie te ciecze są znane nie tylko chemikom organikom z laboratoriów uniwersyteckich, ale powszechnie używane w przemyśle chemicznym. Ich magazynowanie, transport etc. są powszechnie dostępne i bezpieczne. Zastosowano system katalizy irydowej aktywujący reakcję dwóch protonów i dwóch elektronów z acetonem w celu selektywnego wytwarzania izopropanolu (bez powstawania gazowego wodoru). Kluczowym jednak okazało się zastosowanie jako ko-katalizatora kobaltocenu.

Kobaltocen to związek kobaltu od dawna stosowany jako prosty i stosunkowo niedrogi środek redukujący. Okazał się on niezwykle wydajny w tej reakcji, bezpośrednio dostarczając protony i elektrony do katalizatora irydowego, bez uwalniania gazowego wodoru. Oczywiście dalsze prace obejmują jeszcze tańszy katalizator, na bazie żelaza, a nie kobaltu, aby łatwo skalować produkcję magazynującego energię izopropanolu.

Czy to już jest rozwiązanie dla farm słonecznych i wiatrowych? Z pewnością prace będą kontynuowane. Jak bowiem podsumowuje rzecz całą dla swego uniwersytetu prof. Waymouth „Kiedy masz nadmiar energii i nie ma na nią zapotrzebowania w sieci, przechowujesz ją jako izopropanol. Kiedy potrzebujesz energii, możesz ją zwrócić jako elektryczność”.