Co jakiś czas pojawia się koncepcja, która na pierwszy rzut oka wydaje się zbyt elegancka, by była prawdziwa. Jak bowiem wyglądałby nas świat, gdyby zamiast przechowywać energię w kablach, ogniwach albo wielkich zbiornikach, “zamknąć” ją w samej cząsteczce? Wszystko to bez ciężkiej infrastruktury, bez skomplikowanej elektroniki, a do tego w formie materiału, który da się naładować światłem, a potem odzyskać z niego zgromadzoną energię jako ciepło? Tym razem taka wizja wraca do dyskusji w bardzo mocnej wersji, bo opisano układ, który nie kończy się na teorii.
Nie prąd, a ciepło. Czy to realny problem?
Zespół z University of California, Santa Barbara opisał w “Science” materiał oparty o zmodyfikowaną cząsteczkę organiczną z rodziny pirymidonów, działającą w schemacie MOST (Molecular Solar Thermal). W skrócie? Ta cząsteczka po pochłonięciu światła przechodzi w bardziej “napiętą” strukturę, magazynuje energię w wiązaniach chemicznych, a potem (po wyzwoleniu reakcji) wraca do stanu wyjściowego, oddając tę energię jako ciepło. Najważniejsze jest to, że materiał nie ma się zużywać jak paliwo, tylko pracować cyklicznie, bo jak nośnik energii wielokrotnego użytku.
Czytaj też: Niczym silnik rakietowy dla litu. Jak zapomniany kryształ może uratować rynek?
To podejście ma sens właśnie tam, gdzie i tak potrzebujemy ciepła, a nie elektryczności. W praktyce zresztą spora część energii zużywanej w gospodarstwach domowych i przemyśle kończy jako ogrzewanie wody, powietrza lub wielu procesów technologicznych. Dlatego magazyn ciepła, który da się ładować światłem, jest ciekawą alternatywą wobec klasycznych rozwiązań termicznych (zbiorniki wody, materiały przemiany fazowej, magazyny wysokotemperaturowe), które mają własne ograniczenia kosztowe i inżynierskie.
Co jest tu nowe? Rekord na kilogram i stabilność latami
W doniesieniach o tej pracy najmocniej wybrzmiewają dwie rzeczy. Pierwsza to gęstość energii przekraczająca 1,6 MJ/kg, bo po przeliczeniu na jednostki bliższe codziennej praktyce energetycznej wychodzi około 444-458 Wh/kg. Druga to deklarowana trwałość zmagazynowanej energii, która ma wynosić nawet trzy lata. W tym miejscu trzeba jednak postawić wyraźną gwiazdkę, bo porównania do akumulatorów litowo-jonowych kuszą, ale łatwo prowadzą na skróty. Pamiętajmy bowiem, że akumulator oddaje energię jako elektryczność, a tu odzyskujemy ciepło.
Czytaj też: Wsadzili HALS do perowskitowych ogniw słonecznych. Efekty są niebywałe
Najbardziej konkretna demonstracja dotyczy tego, czy uwalniane ciepło ma temperatury użyteczne, a tutaj robi się ciekawie. Po wyzwoleniu reakcji katalizatorem kwasowym materiał uwolnił bowiem energię na tyle intensywnie, że doprowadził do wrzenia około 0,5 mililitra wody w około 0,5 s. To wciąż laboratoryjna skala, ale ważna jako dowód, że MOST nie musi kończyć się na “delikatnym podgrzewaniu”. W praktyce to właśnie ta kwestia przez lata była jednym z hamulców całej dziedziny. O MOST mówi się bowiem od dekad, ale przejście od dobrych parametrów na papierze do kontrolowanego, szybkiego i powtarzalnego oddania ciepła w urządzeniu bywało trudniejsze niż sama synteza świetnej cząsteczki.
Najtrudniejsze pytania o użyteczność MOST zaczynają się już teraz
W doniesieniach o nowym materiale jest kilka punktów, które trzeba traktować jako otwarte problemy. Pierwszy to światło. W publikacjach popularyzujących temat pojawia się informacja, że przejście w formę magazynującą energię zachodzi przy naświetlaniu około 300 nm, czyli w ultrafiolecie. To istotne, bo energia słoneczna docierająca do nas ma inny rozkład widmowy, a UV jest tylko częścią całej układanki i to częścią, która w praktyce zależy od pory roku, zachmurzenia i warunków atmosferycznych. Jeśli układ ma wyjść poza laboratorium, bardzo pożądane byłoby przesunięcie “ładowania” w stronę bardziej użytecznej części widma i skrócenie czasu ładowania.
Czytaj też: Pierwszy taki pożar magazynu energii w historii. Wynik zaskoczył nawet inżynierów
Drugi to wyzwalacz. Tu zadziałał katalizator kwasowy, co jest świetne dla demonstracji, ale natychmiast rodzi pytania o bezpieczeństwo, korozję, kompatybilność z typową hydrauliką instalacyjną i kontrolę procesu w realnym urządzeniu. Innymi słowy, łatwo pokazać “uwolnij ciepło”, a trudniej zbudować układ, który robi to przewidywalnie tysiące razy, a to wszystko bez ryzyka i bez serwisowego problemu.
Trzecia wątpliwość to skalowanie i bilans całego systemu. To, że w małej próbce da się zagotować wodę, nie odpowiada jeszcze na pytanie, jak wygląda sprawność całego łańcucha, a więc tego, ile energii realnie trafia do cząsteczek w warunkach dziennych, jakie są straty magazynowania, jak szybko można odebrać ciepło w praktycznym wymienniku, ile kosztuje materiał i jego produkcja oraz jak zachowuje się po wielu cyklach. Na dziś nie ma też sensownej rozmowy o cenie w złotych, bo nie mówimy o produkcie rynkowym, tylko o etapie badań.
Czy to czas na nowe magazyny ciepła?
Jeśli taka technologia kiedykolwiek trafi do zastosowań, to jej naturalnym polem będą systemy, w których ciepło jest celem samym w sobie. Teoretycznie pasuje to do scenariuszy typu podgrzewanie wody użytkowej, wspomaganie ogrzewania, obiegi buforowe, a nawet zastosowania wyjazdowe lub off-grid, gdzie liczy się kompaktowy magazyn ciepła i możliwość jego odzyskania bez elektroniki dużej mocy. Taki “chemiczny magazyn” musiałby wygrać czymś konkretnym, bo gęstością energii na objętość, długim przechowywaniem bez strat, wygodą transportu albo integracją z instalacją w sposób prostszy niż obecne alternatywy. Na razie ten projekt wygląda jak mocny sygnał, że MOST potrafi dojść do parametrów, które da się pokazać bez dopowiadania reszty w wyobraźni, ale tylko przyszłość odpowie na pytanie, czy wyniknie z tego więcej.