Αποθήκευση ηλιακής ενέργειας σε μορφή θερμότητας χωρίς μπαταρίες!

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου UC Santa Barbara (UCSB) ανέπτυξαν ένα οργανικό μόριο, βασισμένο στην πυριμιδόνη, ικανό να αποθηκεύει την ηλιακή ενέργεια για εβδομάδες ή μήνες και να την απελευθερώνει ως θερμότητα κατ’ απαίτηση.
• Η τεχνολογία βασίζεται στα συστήματα Molecular Solar Thermal (MOST) και στον φωτοϊσομερισμό, μια διαδικασία όπου το μόριο αλλάζει δομή όταν εκτίθεται στο φως, «κλειδώνοντας» την ενέργεια.
• Το νέο μόριο δεν απαιτεί τη χρήση σπάνιων και ακριβών μετάλλων, όπως το ρουθήνιο, που χρησιμοποιούνταν σε προηγούμενες προσπάθειες, καθιστώντας την παραγωγή του σημαντικά φθηνότερη.
• Η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας μπορεί να μειώσει δραστικά το κόστος θέρμανσης σε κατοικίες και βιομηχανικές εγκαταστάσεις, λειτουργώντας ως κλειστό, επαναχρησιμοποιήσιμο κύκλωμα εκπομπών μηδενικού άνθρακα.

Η αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας αποτελεί τη βασική τεχνική πρόκληση για την πλήρη απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα. Η ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου UC Santa Barbara (UCSB) παρουσιάζει μια ριζοσπαστική προσέγγιση: τη χρήση ενός παραγώγου της πυριμιδόνης για την απευθείας δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας, την αποθήκευση της στους χημικούς δεσμούς του μορίου και την ελεγχόμενη απελευθέρωση της αποκλειστικά με τη μορφή θερμότητας. 

Η συγκεκριμένη κατηγορία τεχνολογίας ονομάζεται Molecular Solar Thermal (MOST) και διαφέρει θεμελιωδώς από τα φωτοβολταϊκά συστήματα, καθώς δεν παράγει ηλεκτρισμό, αλλά αποθηκεύει λανθάνουσα θερμότητα για μακροχρόνια χρήση.

Η βασική λειτουργία των συστημάτων MOST στηρίζεται στην αρχή του φωτοϊσομερισμού. Το παραγόμενο μόριο της πυριμιδόνης, όταν εκτεθεί στο ηλιακό φως, απορροφά τα φωτόνια και αναδιατάσσει την ατομική του δομή. Πρακτικά, το μόριο αποκτά ένα νέο σχήμα, υψηλότερης ενεργειακής κατάστασης. Αυτή η νέα δομή παραμένει σταθερή στο χρόνο, «κλειδώνοντας» την ενέργεια στο εσωτερικό της χωρίς να απαιτείται μόνωση ή ειδικές δεξαμενές υπό πίεση.

Όταν προκύψει ανάγκη για θέρμανση, η εφαρμογή ενός εξωτερικού ερεθίσματος (συνήθως μιας μικρής ποσότητας θερμότητας ή ενός συγκεκριμένου χημικού καταλύτη) αναγκάζει το μόριο να επιστρέψει στην αρχική, χαμηλής ενέργειας μορφή του. Κατά τη διάρκεια αυτής της επιστροφής, η αποθηκευμένη ενέργεια απελευθερώνεται βίαια στο περιβάλλον ως θερμότητα. Το σύστημα είναι πλήρως αναστρέψιμο. Το ίδιο μόριο μπορεί να εκτεθεί ξανά στον ήλιο και να επαναλάβει τον κύκλο χιλιάδες φορές, λειτουργώντας ως μια αέναη θερμική μπαταρία χωρίς χημική φθορά.

Ιστορικά, η έρευνα γύρω από τα συστήματα MOST είχε προσκρούσει σε ένα ανυπέρβλητο οικονομικό εμπόδιο. Τα μόρια που παρουσίαζαν την υψηλότερη αποδοτικότητα στην απορρόφηση του φωτός και στη σταθερότητα της αποθήκευσης, βασίζονταν στο ρουθήνιο. Πρόκειται για ένα εξαιρετικά σπάνιο και ακριβό μέταλλο, η χρήση του οποίου καθιστούσε την εμπορική κλιμάκωση της τεχνολογίας πρακτικά αδύνατη.

Η τομή της ομάδας του UCSB έγκειται στην απουσία μετάλλων, μιας και ο σχεδιασμός του μορίου της πυριμιδόνης είναι αμιγώς οργανικός. Η ομάδα τροποποίησε την αρχιτεκτονική του μορίου ώστε να μπορεί να απορροφά ικανοποιητικό εύρος του ορατού φάσματος του φωτός χωρίς την ανάγκη μεταλλικών καταλυτών. Η συγκεκριμένη χημική δομή δεν μειώνει απλώς το κόστος παραγωγής των υλικών κατακόρυφα, αλλά ελαχιστοποιεί και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα που σχετίζεται με την εξόρυξη σπάνιων γαιών.

Οι θερμικές απώλειες είναι το μεγαλύτερο πρόβλημα στα παραδοσιακά συστήματα αποθήκευσης, όπως οι δεξαμενές ζεστού νερού, οι οποίες χάνουν τη θερμική τους ενέργεια μέσα σε λίγες ώρες ή μέρες. Όμως, η πυριμιδόνη διατηρεί την ενέργεια της εντός των χημικών δεσμών, με αποτέλεσμα ένα υγρό διάλυμα αυτών των μορίων να μπορεί να αντλήσει ενέργεια κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, να αποθηκευτεί σε απλές δεξαμενές σε θερμοκρασία δωματίου και να απελευθερώσει τη θερμότητα στα μέσα του χειμώνα.

Οι άμεσες εφαρμογές περιλαμβάνουν τη θέρμανση κατοικιών, τον κλιματισμό μέσω συστημάτων απορρόφησης, αλλά και την παροχή βιομηχανικής θερμότητας χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας. Σε οικιακό επίπεδο, το σύστημα θα μπορούσε να μοιάζει με έναν κλειστό σωληνωτό βρόχο, παρόμοιο με τους ηλιακούς θερμοσίφωνες, όπου το υγρό κυκλοφορεί, «φορτίζει» στην οροφή και αποθηκεύεται σε υπόγειες δεξαμενές.