2025-02-20
Pod užarenim suncem pustinje Sahare, u trenutku kada fotonaponski paneli pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju, ljudska bića su završila magiju oblika energije. Ali nestalna priroda izlaska i zalaska sunca na istoku i oblaka čini skladištenje energije ključnim bojnim poljem u revoluciji čiste energije. Od tornjeva od rastopljene soli Dunhuang Gobija do Teslinog Powerwall-a, otkrića u nauci o materijalima preoblikuju granice skladištenja energije - posebnih supstanci koje ne samo da hvataju sunčevu svjetlost, već je i pretvaraju u resurs koji se može dispečerati.
Ljudi su shvatili moć sunčeve energije u 3. veku pre nove ere, kada je zamak u Sirakuzi koristio ogledalo da fokusira sunčeve zrake kako bi zapalio rimsku flotu. Moderni materijali za skladištenje topline nastavljaju ovu originalnu mudrost i postižu skladištenje energije kroz promjene fizičkog oblika.
Karakteristika topljenja parafina na 58°C čini ga najekonomičnijim medijumom za skladištenje toplote sa promenom faze. Fotonaponski sistem na krovu međunarodnog aerodroma u Pekingu Daxing inkapsulira 300 tona modificiranog parafinskog voska u aluminijsku strukturu u obliku saća da apsorbuje otpadnu toplotu fotonaponskih panela tokom dana i oslobađa energiju noću za održavanje temperature zgrade terminala, smanjujući potrošnju energije klimatizacije za 40% godišnje. Napredniji kompozitni materijali eutektičke soli (kao što je litijum nitrat-kalijum nitrat) mogu podići temperaturu skladištenja toplote na 565 °C, a fototermalna elektrana Crescent Sand Dune u Sjedinjenim Državama koristi ovaj materijal za postizanje 17 sati neprekidnog napajanja.
Gustina skladištenja topline rastopljene soli na 565 ℃ je 780 MJ/m³, što je 12 puta više od vode. Fototermalna elektrana Delingha od 50MW toranj u Qinghaiu koristi 28,000 tona binarnih nitrata (60% natrijum nitrata +40% kalijum nitrata) za pretvaranje sunčeve svetlosti tokom dana u snagu parne turbine noću. Novorazvijeni sistem rastaljene soli hlorida (kao što je MgCl₂/KCl) podiže radnu temperaturu na 800°C i povećava efikasnost skladištenja toplote za 25%.
Kobaltov oksid (Co₃O₄) reagovao je reverzibilno na 800 °C. Co₃O₄ ↔ 3CoO + ½O₂. Gustina skladištenja topline ₃ bila je 1500 kJ po kg, što je 3 puta više od rastaljene soli. Eksperimentalna jedinica, koju je izgradio Njemački svemirski centar, koristi 20 tona metalnog oksida za skladištenje topline tijekom godišnjih doba, oslobađajući solarno grijanje pohranjeno ljeti zimi.
Kada fotonaponski paneli pretvaraju fotone u elektrone, kako postići da te mikroskopske čestice teku na uredan način kada je to potrebno? Baterijski materijali grade finansijski sistem savremenog energetskog sistema.
Litijum gvožđe fosfat (LiFePO₄) je kralj za skladištenje energije u domaćinstvu sa svojim životnim ciklusom od 2000. Teslin Megapack sistem za skladištenje energije koristi ovaj materijal za izgradnju elektrane od 300 MWh koja može napajati 60,000 domova na sat vremena. Nikl-kobalt-mangan terpolimer (NCM811), sa gustinom energije od 280Wh/kg, prepisuje pravila izdržljivosti električnih vozila.
Baterija sa potpuno vanadijskim protokom koristi rastvore jona vanadijuma različitih valentnih stanja kao elektrolit, a sistem od 3MW koji je razvio tim Univerziteta Tsinghua postiže 80% energetsku efikasnost, izglađujući fluktuacije električne mreže u bazi skladištenja Zhangjiakou Fengguang. Jeftinije tečne baterije gvožđe-hrom, koristeći parove snage Fe² + Fe³ + i Cr² + /Cr³ +, američka kompanija ESS izgradila je elektranu za skladištenje energije klase 100MWh.
Čvrsti sulfidni elektrolit (npr. Li₆PS₅Cl) pogurao je gustinu energije baterije na 500Wh/kg. Toyota ₆ je imala za cilj masovnu proizvodnju električnog vozila sa ovom baterijom 2027. Elektrolit kondenzirane materije koji je razvio kineski Ningde Times riješio je problem sigurnosti skladištenja energije održavajući 100°C bez zapaljenja tokom akupunkturnih eksperimenata.
Pretvaranje sunčeve energije u prenosive hemijske molekule je krajnja fantazija čovječanstva o izlasku iz mreže. Fotokatalitički materijali čine ovaj san stvarnošću.
Titanijum dioksid (TiO₂) je započeo eru fotokatalize 1972. godine, ali njegova sposobnost da koristi samo ultraljubičasto svjetlo dovela je do nove generacije katalizatora. Kompozit ugljen nitrida (C₃N₄) razvijen na Univerzitetu u Tokiju, Japan. Efikasnost proizvodnje vodonika dostigla je 8.2% pod vidljivom svetlošću. Australijski tim je koristio nanožice kobalt fosfida da poveća efikasnost na 16%, što je blizu praga komercijalizacije.
Metal-organski okvirni materijali (MOF) pokazuju neverovatan potencijal u veštačkoj fotosintezi. Caltech-ov Zn-Zr MOF materijal ima 90% selektivnosti u pretvaranju CO₂ u metanol pod simuliranom sunčevom svjetlošću, sa stopom konverzije od 5 mmol/g na sat. Katalizator na bazi bakra koji je razvio tim Kineske akademije nauka postigao je kontinuiranu proizvodnju solarnog goriva u reaktoru industrijskog razmjera.
Rutenijumski katalizator smanjuje temperaturu sinteze amonijaka Haberovog procesa sa 500℃ na 350℃, što je savršeno povezano sa solarnim termohemijskim sistemom. Fabrika za fototermalnu sintezu amonijaka u NEOM Smart City-u, Saudijska Arabija, direktno proizvodi azotno đubrivo bez ugljika uz sunčevu svjetlost, smanjujući 4.6 tona CO₂ po toni proizvoda.
Na čelu laboratorije, novi materijali razbijaju granice klasične fizike i otvaraju nove dimenzije skladištenja energije.
Neuobičajene karakteristike prijenosa topline bizmut selenida (Bi₂Se₃) uzrokovale su da gustina skladištenja topline bude 5 puta veća od tradicionalnih materijala. Tehnološki institut u Masačusetsu napravio je kapsule za skladištenje mikro-toplote koristeći ovaj materijal, koje mogu pohraniti toplotu solarne peći u prostoru od 1 cm³ tri sata.
Derivati azobenzena koje je razvio Švicarski federalni institut za tehnologiju prolaze kroz transformaciju molekularne konfiguracije pod ultraljubičastim svjetlom, pohranjuju energiju do 1.2 MJ/kg i oslobađaju se reverzibilno kada su stimulirani vidljivom svjetlošću. Primjena ove "molekularne opruge" u građevinskim materijalima može učiniti da vanjski zid kuće postane samopodešavajući rezervoar topline danju i noću.
Kvantne tačke od olovnog sulfida i grafenske kompozitne elektrode postižu 99% efikasnosti punjenja i pražnjenja u integrisanim uređajima za skladištenje fotonaponske energije. Prototip laboratorije NREL u Sjedinjenim Državama potpuno se puni za 5 minuta pod standardnim svjetlom i ima vijek trajanja više od 100,000 puta.
Tamna strana materijalne revolucije: Izazovi i proboji
Pored fotonaponske elektrane Dunhuang, desetine hiljada tona stavljenih iz upotrebe fotonaponskih panela gomilaju se u srebrna brda, otkrivajući brutalnu stvarnost materijalnog ciklusa. Troškovi povrata srebra i olova u komponentama kristalnog silicijuma su tri puta veći od vrijednosti materijala, a rizik od curenja olova u perovskitnim baterijama nije u potpunosti riješen. Tehnologija razgradnje plazme koju je razvila Alijansa za fotonaponsku reciklažu Evropske unije može povećati stopu oporavka materijala modula na 97%, ali cijena obrade je i dalje čak 0.3 eura/kg.
Neusklađenost između ciklusa razvoja novih materijala i brzine energetske tranzicije je još složenija. Od laboratorije do komercijalizacije, solid-state baterijama je trebalo 30 godina, a globalni cilj neutralnosti ugljika udaljen je samo 26 godina. Projekt Genom materijala Ministarstva energetike SAD-a koristi umjetnu inteligenciju za pregled materijala kandidata, smanjujući ciklus istraživanja i razvoja za 70% i otkrio je 12 novih materijala za skladištenje vodonika.
Kada istraživačke stanice na Antarktiku koriste materijale sa promjenom faze za skladištenje sunčeve svjetlosti tokom polarnih dana kroz duge zimske noći, a afrička sela koriste baterije sa protokom gvožđa i hroma za skladištenje fotonaponske energije za pokretanje medicinske opreme, solarni materijali za skladištenje preoblikuju energetski pejzaž ljudske civilizacije. Ovo nije samo napredak tehnologije, već i ponovno razumijevanje prirode energije - od potrage za trenutnim energetskim naletima, do izgradnje prostorno-vremenske slobode energetske mreže. Možda jednog dana više nećemo skladištiti samu sunčevu energiju, već cijeli materijalni svijet u programabilni nosač energije, i tada će ljudi zaista shvatiti moć sunca.
Tagovi:
Projekt solarnih fotonaponskih sistema za upravljanje kampovima u Saudijskoj Arabiji
Evropski projekat skladištenja energije od 4 MWh
Shanghai Huijue Solar Carport Project
Projekat malog komercijalnog sistema za skladištenje energije za singapurske proizvodne kompanije
Projekt mikromrežnog sistema za slikovito područje provincije Hunan u Kini
