Een stabiele manier om zonnewarmte op te slaan

Zonne-energie is een veelbelovende energiebron maar heeft momenteel met een aantal problemen te kampen. Vooral gaat het hier dan om zonne-energie waarbij er elektriciteit opgewekt wordt met behulp van fotovoltaïsche zonnecellen. Deze problemen belemmeren namelijk dat zonne-energie een competitieve hernieuwbare energiebron kan worden op de huidige energiemarkt. Momenteel kan zonne-energie enkel gaan concurreren op de energiemarkt met behulp van subsidies of andere hulpmiddelen. Er wordt veel werk gestoken in het drukken van de kostprijs van zonne-energie. Men onderzoekt verschillende technologieën en materialen. Er bestaan ook nog andere vormen van de zonne-energie dan met fotovoltaïsche zonnecellen. Bij een andere vorm worden de zonnestralen geconcentreerd op een bepaald oppervlak zodanig dat men in dit oppervlak de thermische energie van de zonnestralen kan gaan benutten. Deze vorm van zonne-energie wordt ook wel 'concentrated solar power (CSP)' ofwel geconcentreerde thermische zonne-energie. Bij deze technologie worden de zonnestralen met behulp van spiegels en eventueel met lenzen geconcentreerd op een klein oppervlak. Op die oppervlak kan de temperatuur gaan oplopen tot zo'n 400°C à 1000°C. Een dergelijk hoge temperatuur is zeker bruikbaar in een warmtemachine. Door deze relatief hoge temperatuur is het theoretisch haalbare rendement van de warmtemachine voldoende hoog.

Bij CSP worden de zonnestralen opgevangen door het collectoroppervlak. En de concentratie gebeurt tussen het collector- en het absorptieoppervlak. Het absorptieoppervlak is het oppervlak waarop de zonnestralen op geconcentreerd worden. En aangezien de concentratie is dus het collectoroppervlak heel wat groter dan het absorptieoppervlak. CSP-centrales worden in het algemeen gebruikt voor de opwekking van elektrische energie. Om deze elektrische energie te produceren dient de thermische energie van op het absorptieoppervlak omgezet worden in arbeid en deze arbeid wordt dan op zijn beurt omgezet in elektrische energie. Praktisch kunnen deze omzettingen op meerdere manieren gebeuren. Maar de courante manier is om een fluïdum (water) te gebruiken voor het transport van de thermische energie van het absorptieoppervlaknaar de warmtemachine. Dit fluïdum stroomt door het absorptieoppervlak en dus gaat het fluïdum dus gaan opwarmen. Door het opwarmen gaat de druk in dit fluïdum gaan toenemen. Eenmaal het fluïdum opgewarmd is dan stroomt het fluïdum verder naar de warmtemachine. In de warmtemachine gaat het opgewarmde fluïdum gaan expanderen en tijdens deze expansie wordt de thermische energie omgezet in arbeid. Deze arbeid wordt uitgeoefend op een turbine. En deze turbine is gekoppeld aan een elektrische generator die deze arbeid gaat omzetten in elektrische energie.

Deze vorm van zonne-energie kan dus op een heel 'eenvoudige' en vertrouwde manier elektriciteit gaan opwekken. Maar toch kent het een aantal problemen namelijk omdat, door de concentratie van de zonnestralen, er dus enkel gebruik kan gemaakt worden van de directe zonnestralen. Het is dus namelijk zo dat zonlicht bestaat uit direct en diffuse licht. Directe lichtstralen zijn de niet verstrooide lichtstralen van de zon en enkel directe lichtstralen kunnen geconcentreerd worden. En wanneer het bijvoorbeeld bewolkt is, dan bereiken nagenoeg geen directe zonnestralen meer de aarde. En dus wanneer het bewolkt is, is de opbrengst van CSP dan ook zeer klein of dus ongeveer onbruikbaar. Dit zorgt ervoor dan ook voor dat CSP voor de opwekking van elektriciteit enkel gebruikt wordt op locaties waar het niet veel bewolkt is en jaarlijks veel directe zonnestralen het aardoppervlak bereiken, bijvoorbeeld zoals in woestijnen en dergelijke.

Maar naast deze twee vormen van zonne-energie, fotovoltaïsche cellen en thermische zonne-energie, is er ook nog een derde vorm. Deze derde vorm werd meerdere decennia ontdekt maar deze werd buitenspel gezet omdat niet een manier kon bedenken om deze manier op een praktische en economische manier te gebruiken. Deze derde methode is de zogenaamde thermo-chemische benadering van zonne-energie waarbij de energie van de zon opgevangen wordt in de configuratie van bepaalde moleculen en deze kan later in de tijd terug vrijgegeven worden in de vorm van thermische energie. En dus tegengesteld als bij de conventionele vormen van zonne-energie wordt hier de energie wel opgeslagen voor later gebruik. Wanneer men energieopslag wil toevoegen aan zonne-energie afkomstig van fotovoltaïsche cellen of van CSP, zijn hier heel wat inspanningen en middelen voor vereist. Al dit zorgt dan voor een hogere kost en een lager rendement. Maar bij de thermo-chemische benadering kan de energie van de zon op een stabiele manier worden opgeslagen vanuit het principe van het proces.

In 1970 hebben onderzoekers de mogelijkheid van 'thermische zonne-brandstoffen' ontdekt maar er waren nog grote uitdagingen vooraleer dit kon toegepast worden voor commercieel gebruik. Het principe was dus gekend maar men kon een chemische verbinding vinden die betrouwbaar en omkeerbaar kon wisselen tussen de twee toestanden. In de ene toestand gaat die chemische verbinding de energie van het zonlicht gaan absorberen en door deze absorptie neemt de chemische verbinding de andere toestand aan. En door deze chemische verbinding dan terug deze eerste toestand te laten aannemen wordt opgenomen energie van zon weer vrijgegeven in de vorm van thermische energie. Het duurde tot 1996 vooraleer men een de chemische verbinding vond voor dit proces. Maar deze chemische verbinding bevat onder andere ruthenium. Ruthenium is een vrij zeldzaam en dus een duur element, dus was deze chemische verbinding niet geschikt voor praktisch gebruik. Ook had men maar slechts een beperkt inzicht in het gedrag van dit element tijdens dit proces. Dit beperkte inzicht zorgde ervoor dat men er niet in slaagde om een goedkoper alternatieve chemische verbinding te vinden.

Nu hebben wetenschappers van MIT een manier gevonden om deze belemmering te overwinnen. En via een combinatie van theoretisch en experimenteel werk van deze wetenschappers slaagden ze erin om te onthullen hoe deze chemische verbinding erin slaagt om de energie van de zon te gaan opslaan en dan later weer vrij te geven in de vorm van thermische energie. Dit onderzoek werd geleid door Jeffrey C. Grossman en had als doel om inzicht in het gedrag van deze chemische verbinding tijdens dit proces. Dit inzicht maakt het dan mogelijk om een alternatieve chemische verbinding, die geen zeldzame elementen bevat, te gaan ontwikkelen, specifiek voor deze toepassing. In essentie ondergaat deze chemische verbinding een structurele verandering wanneer het zonne-energie opneemt. Hierdoor komt deze chemische verbinding in een hogere energetische toestand en wat zo bijzonder is, is dat de chemische verbinding zich stabiel gedraagt in deze hogere energetische toestand. En wanneer de chemische verbinding in deze toestand lichtjes opgewarmd wordt of in contact komt met een katalysator, dan wordt de energie weer vrijgegeven. Nadat de energie weer vrijgegeven is, dan bevindt deze chemische verbinding zich weer in de originele toestand en kan het terug energie gaan opnemen.

Maar tijdens het onderzoek ontdekten de onderzoekers dan het proces ietwat complexer is dan zonet voorgesteld. Namelijk zo blijkt er een tussenstap te zijn die van essentieel belang is. In deze tussenstap neemt de verbinding een semi-stabiele configuratie aan tussen de twee gekende toestanden. Vroeger had men geen notie van deze tussenstap en dus was het ook een onverwachte vaststelling van de wetenschappers. En aan de hand van dit nieuwe verloop van het proces, met dan inclusief de tussenstap, kan men verklaren waarom de verbinding in de begin- en eindtoestand zo stabiel is, ook waarom dit proces omkeerbaar is. Maar wat waarschijnlijk de belangrijkste vaststelling is, is dat men nu kan verklaren waarom de alternatieven die men in het verleden heeft onderzocht voor het ruthenium niet werkten. Door deze nieuwe inzichten in dit proces kan men gerichter gaan zoeken voor een alternatief element voor het ruthenium.

Wanneer men dus een alternatief element vindt, dan is het mogelijk om een 'herlaadbare warmtebatterij' te gaan maken die snel en omkeerbaar warmte van de zon, of van andere warmtebronnen, kan opslagen en vrijgeven. En principieel gezien kan een dergelijke thermische zonne-brandstof, die ruthenium bevat, wanneer het de opgeslagen warmte vrijgeeft opwarmen tot een temperatuur van meer dan 200°C. En dus kan deze thermische energie uitstekend gebruikt worden om huizen en gebouwen te gaan opwarmen. Maar tot dat men een alternatief element vindt voor ruthenium zal deze thermische zonne-batterij waarschijnlijk uitblijven namelijk omdat de zeldzaamheid en de daaruit volgende hoge kost van het ruthenium een spelbrekers is. De volgende stap in dit onderzoek is het combineren van simulatie, chemische intuïtie en databases van tientallen miljoenen gekende chemische molecules om andere kandidaten te vinden voor het ruthenium. Een vervanger moet een gelijkaardige structuur en gedrag hebben als het ruthenium.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [rdmag]