Forbedrede katalysatorer kan hjælpe udbredt solenergi med at se dagens lys

Ingeniører ved University of Wisconsin-Madison kaster lys over lovende nye strategier til lagring af solenergi. Indsatsen kunne hjælpe med at overvinde en stor begrænsning af energiproduktion fra solkilder – nemlig, hvordan man kan følge med efterspørgslen efter elektricitet, når solen går ned.

"I takt med at vedvarende energi får en større rolle i vores elnet, opbevaring og levering på forespørgsel er kritiske, " siger Thatcher Root, en professor ved Institut for Kemi- og Biologisk Teknik.

Vedvarende energikilder tegnede sig for næsten en fjerdedel af verdens elproduktion i 2017, og solenergikapaciteten er vokset med en årlig hastighed på omkring 51 procent i det sidste årti. Desværre, forbrugernes efterspørgsel efter elektricitet topper typisk om aftenen, hvorimod solenergiproduktion er mest effektiv, når solen står højt på himlen midt på dagen.

Det uoverensstemmelse er derfor, at solenergianlæg har brug for bedre systemer til at lagre solenergi-ideelt set noget omkostningseffektivt og effektivt. Integrering af varmelagring i indsamlingsgenereringssystemet kan være bedre end tilføjelse af batterier eller andet, separate lagersystemer.

Denne tilgang kan især være nyttig til en teknologi til vedvarende energi kendt som koncentrering af solenergi (CSP), som i øjeblikket er i brug på næsten 20 faciliteter i USA. Anlæggene indsamler varme fra sollys i løbet af dagen og udnytter denne energi til at generere damp til at drive en turbine til elproduktion. Med en vis omhu, solenergien opsamlet i løbet af dagen kan lagres som termokemisk energi - lagret i kemiske bindinger - til brug om natten.

Root- og kandidatstuderende Elise Gilcher, som rådgives af James Dumesic, Ernest Micek Distinguished Chair i kemisk og biologisk teknik, tackler lagringsproblemet ved at udvikle bedre katalysatorer - materialer, der fremskynder kemiske reaktioner uden at blive forbrugt og omdannet til nye produkter. Arbejdet ledes også af Milton J. og A. Maude Shoemaker og Beckwith-Bascom Professor Thomas Keuch, et andet fakultetsmedlem inden for afdelingen for kemisk og biologisk teknik, der er verdenskendt for bidrag til katalyseforskning.

Nogle af de nyeste CSP-anlæg bruger smeltet salt til at lagre energi, men UW-Madison ingeniører har identificeret mere effektive metoder. En lovende mulighed kunne være at bruge et reversibelt methanreformeringssystem, som beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 13. april, 2017, i journalen Grøn kemi . Dens forfattere inkluderer Xinyue Peng (en kandidatstuderende i Roots laboratorium), Rod, og Vilas Distinguished Achievement Professor og Paul A. Elfers professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab Christos Maravelias.

Metan termokemisk energilagring hænger på katalysatorer for at hjælpe reaktionerne, der bruges til at lagre og frigive varme, og eksisterende systemer har et stort problem. Over tid, kulstofophobning på overfladerne af katalysatorer (en proces kaldet "forkoksning"), gør dem ubrugelige.

"Vi har brug for katalysatorer, der ikke kokser op, " siger Root.

For at løse problemet, arbejder på at modificere katalysatorer kemisk ved at påføre en speciel antikoksningsbelægning på de understøttede metalkatalysatorer ved hjælp af en proces kaldet atomlagsaflejring. Indsatsen henter inspiration fra tidligere forskning, der stod i spidsen for Keuch og Dumesic, der viste, at deponering af atomlag er egnet til katalysatorer i anvendelser af biobrændstoffer. Gilcher vil ændre procedurerne for forskellige katalysatorer, der er mere almindeligt anvendt i methanreformeringsanlæg.