В Стэнфорде представили технологию жидкого топлива для хранения электроэнергии

В связи с переходом на возобновляемые виды топлива многие страны нуждаются в новых технологиях хранения энергии из-за колебаний солнечной и ветровой энергии. Команда из Стэнфорда под руководством Роберта Уэймута разрабатывает метод хранения энергии в жидком топливе с помощью жидких органических носителей водорода (LOHC), сосредоточившись на преобразовании и хранении энергии в изопропаноле без производства газообразного водорода.

Ученые из Стэнфорда совершенствуют методы хранения жидкого топлива, разрабатывая новые каталитические системы для производства изопропанола, чтобы оптимизировать процесс удержания и высвобождения энергии. Поскольку Калифорния стремительно переходит на возобновляемые виды топлива, ей нужны новые технологии, способные хранить энергию для электрических сетей.

Солнечная энергия падает ночью и снижается зимой. Энергия ветра то прибывает, то убывает. В результате штат в значительной степени зависит от природного газа, который сглаживает подъемы и спады возобновляемой энергии.

«Электрическая сеть использует энергию с той же скоростью, с какой вы ее производите, и если вы не используете ее в это время и не можете хранить, вы должны ее выбросить», — говорит Роберт Уэймут, профессор химии Роберта Эклза Свейна в Школе гуманитарных и естественных наук.

Уэймут возглавляет группу специалистов из Стэнфорда, которая изучает новую технологию хранения возобновляемой энергии: жидкие органические носители водорода (LOHC). Водород уже используется в качестве топлива или средства выработки электроэнергии, но его хранение и транспортировка сложны.

«Мы разрабатываем новую стратегию избирательного преобразования и долгосрочного хранения электрической энергии в жидком топливе, — говорит Уэймут. — Мы также открыли новую, селективную каталитическую систему для хранения электрической энергии в жидком топливе без выделения газообразного водорода».

Батареи, используемые для хранения электроэнергии в электросетях, а также аккумуляторы смартфонов и электромобилей используют литий-ионные технологии. В связи с масштабами хранения энергии исследователи продолжают искать системы, которые могли бы дополнить эти технологии.

Среди кандидатов — LOHC, которые могут хранить и выделять водород с помощью катализаторов и повышенных температур. Когда-нибудь они смогут широко использоваться в качестве «жидких батарей», накапливая энергию и эффективно возвращая ее в виде топлива или электричества, когда это необходимо.

Команда Уэймута изучает изопропанол и ацетон в качестве компонентов систем хранения и высвобождения водородной энергии. Изопропанол представляет собой жидкую форму водорода высокой плотности, которую можно хранить или транспортировать через существующую инфраструктуру до тех пор, пока не придет время использовать ее в качестве топлива в топливных элементах или выделять водород для использования без выделения углекислого газа.

Однако методы получения изопропанола с помощью электричества неэффективны. Два протона из воды и два электрона могут быть преобразованы в газообразный водород, а затем из этого водорода с помощью катализатора можно получить изопропанол.

«В этом процессе не нужен газообразный водород, — говорит Уэймут. — Его плотность энергии на единицу объема низка. Нам нужен способ получения изопропанола непосредственно из протонов и электронов без образования газообразного водорода».

Дэниел Маррон, ведущий автор исследования, придумал, как решить эту проблему. Он разработал каталитическую систему для объединения двух протонов и двух электронов с ацетоном с целью селективного получения изопропанола LOHC без образования газообразного водорода. В качестве катализатора он использовал иридий.

По словам исследователей, особенно удивило то, что «волшебной» добавкой оказался кобальтоцен — химическое соединение кобальта, недрагоценного металла. Он давно используется в качестве простого восстановителя и стоит относительно недорого.

Исследователи обнаружили, что кобальтоцен эффективен при использовании в качестве сокатализатора в этой реакции, напрямую доставляя протоны и электроны на иридиевый катализатор, а не высвобождая газообразный водород, как предполагалось ранее.

Кобальт уже является распространенным материалом в батареях и пользуется большим спросом, поэтому команда из Стэнфорда надеется, что новое понимание свойств кобальтоцена поможет ученым разработать другие катализаторы для этого процесса. Например, команда изучает катализаторы из более распространенных недрагоценных металлов, таких как железо, чтобы сделать будущие системы LOHC более доступными и масштабируемыми.

«Это фундаментальная наука, но мы думаем, что у нас есть новая стратегия для более избирательного хранения электрической энергии в жидком топливе, — говорит Уэймут. — Мы надеемся, что по мере развития этой работы системы LOHC смогут улучшить хранение энергии в промышленности и энергетике, а также на отдельных солнечных или ветряных электростанциях. Когда у вас есть избыток энергии и на нее нет спроса в сети, вы храните ее в виде изопропанола. Когда вам нужна энергия, вы можете вернуть ее в виде электричества».

Ранее исследователи KAIST разработали гибридную натриево-ионную батарею с высокой мощностью и плотностью энергии, обещающую быструю зарядку для применения в электромобилях и других передовых технологиях. Она превосходит по плотности энергии коммерческие литий-ионные батареи и демонстрирует характеристики плотности энергии суперконденсаторов.