Wetenschap
Een koolwaterstofmolecuul als leverancier en energieopslagoplossing voor zonne-energie
Tot nu toe was de opwekking en opslag van elektriciteit uit zonne-energie afhankelijk van verschillende apparaten, wat tot conversieverliezen leidde. Dat kan snel veranderen, aangezien scheikundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) en andere onderzoeksinstituten in Duitsland, Australië, het Verenigd Koninkrijk, Italië, Zweden en de VS onderzoek doen naar een koolwaterstofmolecuul dat zonlicht kan omzetten omzetten in elektriciteit of de energie lange tijd in chemische vorm opslaan.
Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor geheel nieuwe organische zonnepanelen. De basisprincipes voor conversie en opslag met behulp van het molecuul zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry .
De hoop blijft groot dat zonne-energie een belangrijke motor van de energietransformatie zal zijn. Omdat zonlicht echter een zeer vluchtige energiebron is, moet er een oplossing worden gevonden om energie efficiënt op te slaan.
"Tot nu toe hebben we elektriciteit van zonnepanelen die niet onmiddellijk worden verbruikt, overgebracht naar een batterij, waar deze kan worden gebruikt wanneer en wanneer dat nodig is", legt prof. dr. Julien Bachmann, voorzitter van Chemistry of Thin Film Materials (CTFM) uit bij FAU. "Door herhaaldelijk te wisselen tussen chemische en elektrische energie gaat tijdens dit batterijopslagproces minimaal 30% van de oorspronkelijk omgezette energie verloren."
Samen met Michael Bosch, promovendus bij de leerstoel CTFM, hoopt Bachmann een nieuw pand uit een bekend materiaal te halen, waardoor het zonlicht omzet in elektrische energie of de energie opslaat, afhankelijk van de vereisten. Het materiaal in kwestie is norbornadieen, een koolwaterstofisomeer dat bestaat uit twee molecuulringen. Als norbornadieen wordt blootgesteld aan ultraviolet licht, leidt een gedeeltelijke reorganisatie van de atoombindingen ertoe dat het wordt omgezet in de vergelijkbaar gestructureerde maar zwaarder belaste quadricyclaan.
"Het conversieproces is al bekend, maar het onderzoek heeft zich tot nu toe geconcentreerd op het terugwinnen van de opgeslagen energie in de vorm van warmte", legt Bachmann uit. "Onze nieuwe aanpak omvat het beheersen van het proces, zodat de opgeslagen energie ook als elektriciteit beschikbaar kan worden gesteld, zelfs nadat er maanden zijn verstreken."
Wetenschappers begrijpen de fysisch-chemische mechanismen achter de overgangen tussen de isomeren nog steeds niet volledig. Onderzoekers uit Australië, het Verenigd Koninkrijk, Italië, Zweden en de VS werken samen met collega's van de FAU om een beter begrip van het proces te krijgen door gebruik te maken van foto-elektronenspectroscopie.
Bachmann stelt:"Hoe meer we weten over de dynamiek van foto- en elektrochemische transformatie, hoe beter we het ontwerp van het molecuul kunnen aanpassen aan de gewenste functies."
Het doel van toekomstig onderzoek is bijvoorbeeld om niet alleen ultraviolette excitatie te gebruiken, maar ook een breed spectrum van zonlicht voor elektronenexcitatie. "Er is veel potentieel", legt Bachmann uit. "De pure energiedichtheid van het norbornadieen-quadricyclaansysteem is vergelijkbaar met die van een lithium-ionbatterij."
Als onderzoekers erin slagen de omkeerbare norbornadieen-quadricyclaan-omzetting betrouwbaar te controleren, zou dit niet alleen leiden tot een efficiënt zonnepaneel dat ook geschikt is voor de opslag van elektriciteit. Het op organische koolwaterstoffen gebaseerde materiaal zou ook kosteneffectief zijn om te produceren, zou geen zeldzame metalen vereisen en zou aan het einde van zijn levenscyclus gemakkelijk op een milieuvriendelijke manier kunnen worden verwijderd of gerecycled.