Jem Stansfield van BBC One’s programma Bang Goes The Theory reist naar de Solar Furnace Research Facility in Zuid-Frankrijk. Hij is getuige van de enorme hoeveelheid warmte dat wordt opgewekt door zeer geconcentreerd zonlicht.
Stel je voor: op een snikhete zomerdag leg je het materiaal in de zon en in de winter haal je er alle energie uit. Of de winter er na. Weg hoge gasrekening. Science fiction? Nee, een warmtebatterij. Met de nieuwste variant is er geen schaars ruthenium meer nodig.
Koolstofnanobuisjes, ontwikkeld door MIT onderzoekers, blijken in staat te zijn opmerkelijk veel zonnewarmte op te slaan. Warmte opslaan in chemische vorm – in plaats van het in elektriciteit om te zetten of de warmte zelf opslaan in een zwaar geïsoleerde container – heeft verschillende voordelen. Zo zijn de verliezen ook over langere tijd door warmtelekken nul. De problemen met de warmtebatterij tot nu toe waren tweeledig. De chemicaliën die als warmtebatterij werden gebruikt hielden het niet langer dan enkele cycli uit, of bestaan mede uit het uiterst schaarse en dure metaal ruthenium.
In 2010 ontdekte universitair hoofddocent aan het MIT Jeffrey Grossman en vier collega’s waarom fulvaleen diruthenium — tot nu toe de recordhouder op het gebied van warmte vasthouden – zo goed in staat is warmte op te slaan[1]. Door dit werkingsmechanisme in goedkopere materialen na te bouwen, zouden dus betere warmtebatterijen gebouwd kunnen worden zonder ruthenium. Het lijkt er nu op dat het Grossman (met postdoc Alexie Kolpak) inderdaad gelukt is een waardige opvolger te vinden. Sterker nog: een opvolger zelfs die de rutheniumverbinding maar liefst tienduizend maal in opslagcapaciteit overtreft.
Het nieuwe materiaal dat Grossman en Kolpak hebben ontdekt, is gemaakt van koolstofnanobuisjes (verreweg het sterkste materiaal ooit ontwikkeld). [2] Koolstofnanobuisjes bestaan uit een soort zeshoekig gaas van koolstofatomen dat als een buis is opgerold. Ook azobenzeen, voor de scheikundigen onder u: twee benzeenringen die met behulp van twee stikstofatomen aan elkaar zijn gehaakt, maakt onderdeel uit van de verbinding. De resulterende moleculen, die op een bijzondere manier op nanoschaal worden gemanipuleerd om ze de gewenste nanostructuur te geven, krijgen “nieuwe eigenschappen die niet beschikbaar zijn in de afzonderlijke materialen” aldus Grossman. Iets dat overigens veel voorkomt bij composietmaterialen.
Niet alleen is dit nieuwe chemische systeem veel goedkoper dan de eerdere verbinding die ruthenium bevat, maar is het ook veel efficiënter in het opslaan van energie. In het nieuwe materiaal kan per liter tienduizend keer zoveel warmte worden opgeslagen als in fulvaleen diruthenium – ongeveer evenveel energie als in een lithium-ion batterij. Door nanofabricage kan je de interacties van de moleculen controleren, de hoeveelheid energie die ze op kunnen slaan vergroten en ook de tijdsduur gedurende welke ze de hitte kunnen opslaan. Het belangrijkste: je kan beide eigenschappen onafhankelijk van elkaar controleren, aldus Kolpak.
Hoe werkt een thermische batterij?
Thermochemische energieopslag maakt gebruik van moleculen die een energie-arme en een energierijke vorm kunnen aannemen. Zonlicht zet de energiearme vorm in de energierijke vorm. Door een bepaalde prikkel – een katalysator, warmte, een lichtflits – springt het molecuul weer terug naar de energiearme vorm, waarbij de opgeslagen energie als hitte vrijkomt. Zie deze afbeelding van Grossman en Kolpak.
Een van de grote voordelen van de thermische batterij is dat een en hetzelfde materiaal zowel het zonlicht vangt als opslaat. Voor zonnecellen heb je een accu nodig. Dit materiaal is robuust, valt niet uit elkaar en is goedkoop. Nadeel is wel dat de energie vrijkomt als warmte. Warmte is vrij laagwaardige energie. Je zou de warmte in principe kunnen omzetten in elektriciteit met bijvoorbeeld een Peltier element, een Stirlingmotor of een thermokoppel, maar erg efficiënt is dat niet. aan de andere kant: het werkingsprincipe is nu bekend, dus kan ook voor andere materialen worden gebruikt. Ook zou je in theorie een soort piëzo-thermisch materiaal kunnen ontwikkelen, waarbij de vormverandering door verhitting net als in een piëzo-elektrisch kristal door vervorming, veel elektrische spanning oplevert.
Het geheim van thermische energieopslag is een energiebarrière aanbrengen tussen twee stabiele toestanden die het molecuul kan aannemen. De barrière mag niet te laag zijn, anders zou het molecuul te snel terugkeren in zijn ongeladen toestand en de batterij zou dus lek zijn als een zeef. Als de barrière te hoog is, kan het molecuul niet worden getriggerd om zijn energie af te staan. Het genoemde materiaal is weliswaar veelbelovend, maar is maar één materiaal in een reeks. Er zijn meerdere materialen denkbaar. Bijvoorbeeld al bestaande fotoactieve moleculen kunnen hierin worden verwerkt.
Bron:
1. Catching the sun’s heat, MIT News Office (2010)
2. Research update: New way to store sun’s heat, MIT News Office (2011)
