In minder dan acht uur, genoeg zonlicht valt op de aarde om een ​​jaar lang in alle energiebehoeften van de mensheid te voorzien.

Volgens onderzoek gepubliceerd door het Internationaal Energie Agentschap, de wereld verbruikte in 2014 18,3 terawattjaar (TWy) aan energie. Er is slechts acht uur zonlicht nodig om 21 TWy zonne-energie te produceren. En de kosten om het te produceren zijn de afgelopen jaren dramatisch gedaald.

Dus waarom gebruiken we het niet om de hele planeet van stroom te voorzien?

Het belangrijkste probleem is de opslag. De zon schijnt 's nachts niet, dus de energie moet worden opgeslagen totdat mensen het nodig hebben.

Naarmate de kosten voor het produceren van de energie zijn gedaald - een studie van Lawrence Berkeley National Lab uit 2016 toonde aan dat de kosten van zonne-energieprojecten in de Verenigde Staten sinds 2009 met tweederde waren gedaald - is de vraag gestegen. Als reactie, nutsbedrijven hebben twee en een half keer meer zonnetechnologie geïnstalleerd dan residentiële en commerciële consumenten samen.

Onze huidige opslagmogelijkheden kunnen het niet bijbenen.

Zonnepanelen op utiliteitsschaal vereisen grote opslag. In Australië, Tesla heeft onlangs een enorme reeks lithium-ionbatterijen geïnstalleerd om hernieuwbare energie op te slaan, maar lithium is geen onbeperkte hulpbron, en batterijen zijn niet ideaal voor alle situaties - veel Albertanen weten dat de lithium-ionbatterijen in hun telefoons niet van de kou houden. Als we van plan zijn de hele wereld te verplaatsen naar bronnen zoals zonne-energie en andere hernieuwbare energiebronnen, we hebben meerdere manieren nodig om de stroom op te slaan.

Toen eind 2016 het $ 75 miljoen dollar kostende onderzoeksinitiatief van de University of Alberta Future Energy Systems werd gelanceerd, de aanpak van dit probleem was een belangrijke prioriteit.

Onder de wetenschappers die financiering van het initiatief ontvangen, is scheikundige Steve Bergens. Hij werkt aan een alternatief op gebruiksschaal dat zou profiteren van de bestaande infrastructuur en chemische batterijen zou besparen voor kleinschaliger gebruik.

"Kooldioxide en water zijn overal, " legde hij uit. "We kunnen ze combineren met zonlicht en zonne-energie opslaan als brandstof."

Opslaan van zonne-energie in synthetische brandstoffen

"Brandstoffen komen van nature voor, dus sommige mensen beschouwen ze misschien niet als een opslagtechnologie, " legde Bergens uit. "Maar net als batterijen, brandstoffen stellen ons in staat om opgeslagen energie te vervoeren waar we maar willen en er toegang toe te hebben wanneer we maar willen."

De meest voorkomende brandstoffen van vandaag zijn koolwaterstoffen zoals aardgas. Wanneer die koolwaterstoffen worden verbrand, de koolstof komt vrij in de atmosfeer als het broeikasgas CO2. Om CO2 te vermijden we zouden ons hele energiesysteem kunnen aanpassen om pure waterstof te verbranden, maar Bergens denkt dat die propositie op korte termijn niet realistisch is.

"We hebben tientallen jaren en veel geld besteed aan het bouwen van een systeem dat werkt met koolwaterstoffen, dus het is niet redelijk om te verwachten dat alles in één keer verandert, " zei hij. "Maar wat als in plaats van koolstofdioxide in de atmosfeer vrij te geven, we vangen het op en combineren het met water en zonne-energie om herbruikbare koolwaterstofbrandstoffen te maken?"

Bergens schetst het chemische proces op zijn kantoorbord:"Wanneer verbrand, aardgas en zuurstof uit lucht vormen water, koolstofdioxide en energie."

theoretisch, dat proces kan worden omgekeerd:zonlicht kan worden toegepast op water en koolstofdioxide, het creëren van synthetisch aardgas met zuivere zuurstof als bijproduct. Wanneer die brandstof wordt verbrand, de koolstofdioxide zou nooit vrij hoeven te komen - alleen opgevangen en gerecycled om meer synthetische brandstof te maken.

De formules check out, maar weinig dingen zijn zo eenvoudig als ze op een schoolbord lijken.

Betaalbare moleculen bouwen

Mona Amiri is een postdoctorale fellow die met het team in het laboratorium van Bergens werkt aan de ontwikkeling van katalysatoren die de schoolbordreactie in het echte leven kunnen laten plaatsvinden.

Bouwen op atomair niveau en modulair, zij en studenten Chao Wang en Octavio Perez creëren afzonderlijke moleculen die elk een individuele functie vervullen in het totale proces. Deze moleculen kunnen afzonderlijk worden geoptimaliseerd en bestudeerd, vervolgens eenvoudig in elkaar te zetten als bouwstenen - of zelfs zelf in elkaar te zetten - om als een enkele eenheid te functioneren.

Deze aanpak stelt het team in staat om snel zwakke plekken te identificeren, schakel individuele componenten en verlaag uiteindelijk de engineeringkosten door het hele proces in één unit uit te voeren. Maar het heeft alleen zin als de katalysatoren en componenten betaalbaar zijn.

"De meeste katalysatoren die we kennen die dit kunnen bereiken, zijn gebaseerd op kostbare metalen zoals platina en iridium, " merkte Amiri op. "We gebruiken ze momenteel om de principes te valideren, maar we moeten meer overvloedige alternatieven vinden voor wijdverbreide adoptie."

Met dat in gedachten, Amiri en het team ontwikkelen nieuwe katalysatoren op basis van gemeenschappelijke elementen zoals ijzer. Tot nu toe blijken deze meer gebruikelijke moleculen niet zo efficiënt of duurzaam te zijn, maar ze is ervan overtuigd dat ze kunnen worden verfijnd tot bruikbare alternatieven.

"Het zal nodig zijn om efficiëntie te combineren, levensduur, betaalbaarheid en beschikbaarheid, " ze zei.

Als zij en het team van Bergens de juiste balans vinden, de resulterende technologie zou een cruciale opstap kunnen zijn.

Een overgangstechnologie

Met de juiste katalysatoren aardgascentrales over de hele wereld zouden er zonne-energiecentrales naast kunnen bouwen, hun CO2 af te vangen en te laten reageren met water en zonlicht. Het resultaat zou een volledig gesloten koolstofsysteem kunnen zijn waarin de planten stroom opwekken door middel van verbranding, maar CO2 komt nooit in de atmosfeer terecht.

"Dit gaat morgen niet gebeuren, "Zei Bergens. "Maar op middellange termijn, het zou ons tijd kunnen geven om nieuwe brandstoffen uit te rollen die iets anders dan koolstof gebruiken."

Bergens heeft enkele ideeën over hoe die nieuwe brandstof eruit zou kunnen zien. Hij tekent een molecuul op zijn bord dat waterstof verbindt met een ander gemeenschappelijk element, en zou bij verbranding niets anders dan water uitstoten - maar dan wist hij het snel uit.

"Dat is verder in de toekomst, ' zei hij met een glimlach. 'Maar het werkt op het schoolbord.'