Energetyka słoneczna rządzi się cyklem dnia i nocy. Efekt? W środku dnia energii bywa pod dostatkiem, a nawet w nadmiarze, ale po zachodzie “darmowy prąd” już nie płynie. Właśnie dlatego walka o lepsze jutro dla fotowoltaiki sprowadza się do tego, jak zatrzymać wyprodukowaną za dnia energię wtedy, kiedy słońce przestaje świecić. Widać to już w całym nurcie badań nad magazynowaniem ciepła słonecznego, ale obok pomysłów opartych na chemicznych magazynach MOST czy hybrydowych układach łączących produkcję prądu z ogrzewaniem budynków pojawia się teraz jeszcze jeden sektor: materiały konstrukcyjne, które nie tylko “są”, ale też pracują energetycznie. Najnowszy przykład brzmi niemal absurdalnie prosto, bo zaczyna się od balsy. Tyle że w laboratorium to drewno przestało być zwykłym drewnem już po pierwszym etapie obróbki.
Zwykła balsa? Tylko na samym początku
Praca naukowców opisana w “Advanced Energy Materials” wskazuje jednoznacznie, że badacze nie stworzyli drewnianego odpowiednika klasycznego panelu fotowoltaicznego. Zrobili coś innego. Najpierw usunęli z balsy ligninę, zostawiając porowaty szkielet z mikrokanałami. Potem pokryli jego wnętrze ultracienkimi arkuszami czarnego fosforenu, który dobrze pochłania promieniowanie w szerokim zakresie długości fal i zamienia je na ciepło. Jednak ponieważ fosforen szybko degraduje na powietrzu, to następnie trzeba go było zabezpieczyć warstwą opartą na kwasie taninowym i jonach żelaza.
Czytaj też: Chemicy zamknęli błyskawicę w reaktorze. Tak powstało paliwo z gazu ziemnego
Do tego doszły nanocząstki srebra poprawiające pochłanianie promieniowania i warstwa hydrofobowa, która ma ograniczać zawilgocenie i degradację podczas pracy na zewnątrz. W testach odnotowano redukcję parametrów związanych z intensywnością i całkowitą emisją ciepła podczas spalania o 27,4% i 31,2%, a materiał wykazywał też aktywność przeciwko E. coli i S. aureus.
Na końcu ten drewniany szkielet został napełniony kwasem stearynowym, czyli bioopartym materiałem zmiennofazowym i właśnie tutaj kryje się sens całego projektu. Kwas stearynowy nie magazynuje energii jak akumulator chemiczny, tylko jak bufor cieplny. Kiedy dostaje ciepło, topi się i “chowa” energię w przemianie fazowej. Kiedy temperatura spada, wraca do stanu stałego i tę energię oddaje. Drewno pełni w tym układzie rolę porowatego rusztowania, które utrzymuje materiał na miejscu, a kierunkowa struktura włókien pomaga prowadzić ciepło wzdłuż słojów.
Idąc dalej, jeśli taki materiał połączy się z generatorem termoelektrycznym, część tej różnicy temperatur można zamienić na elektryczność także po zniknięciu źródła światła. Jest to ważne rozróżnienie, bo tu nie chodzi o “drewno produkujące prąd jak panel”, tylko o drewno, które najpierw łapie światło jako ciepło, a dopiero później oddaje część tej energii do układu elektrycznego.
Co o tym wyjątkowym “drewnie” mówią liczby i praktyka?
W testach laboratoryjnych materiał osiągnął sprawność fototermiczną na poziomie 91,27%, pojemność magazynowania energii rzędu 175 kJ/kg i napięcie do 0,65 V po podłączeniu do generatora termoelektrycznego. Po przeliczeniu 175 kJ/kg daje około 48,6 Wh/kg, ale to nie jest 48,6 Wh/kg energii elektrycznej, tylko energii cieplnej zmagazynowanej w materiale, a to dwie różne rzeczy. Z podobną rezerwą należy traktować wartość 0,65 V, bo samo napięcie nie mówi jeszcze, jaką użyteczną moc da się z tego odzyskać. Bez danych o natężeniu, stabilności pracy w dłuższym czasie i sprawności całego toru konwersji nie ma mowy o stawianiu tego rozwiązania obok klasycznych paneli dachowych czy domowych magazynów energii. Ta demonstracja pokazuje kierunek, a nie gotowy produkt do zamówienia dla domu jednorodzinnego.
Czytaj też: Samochód pokonał dach z fotowoltaiką. Wyjaśniam unikalny sposób działania Aptery
Jeżeli ten pomysł będzie miał wyjść kiedykolwiek poza laboratorium, to jego przewaga nie będzie polegała na zastąpieniu fotowoltaiki. Znacznie ciekawszy jest inny scenariusz, czyli elewacje, panele ścienne, lekkie przegrody budowlane, osłony zewnętrzne i elementy infrastruktury, które same w sobie pomagają stabilizować temperaturę, a przy okazji mogą zasilić drobną elektronikę albo czujniki. Nie bierze się to znikąd, bo drewno z materiałami zmiennofazowymi od lat przewija się w badaniach nad termiką budynków i magazynowaniem ciepła. Nowością nie jest więc samo drewno tego typu, ale to, że tutaj doszła jeszcze warstwa fototermiczna oraz odporność na wodę, ogień i mikroorganizmy.
Czytaj też: Panele słoneczne nie boją się tylko pogody. Nowe zagrożenie może pogrążyć całą instalację
Umówmy się jednak – największym przeciwnikiem tego projektu nie będzie sama fizyka magazynowania ciepła, lecz produkcja na większą skalę. Mamy tu delignifikację drewna, czarny fosforen wymagający ochrony przed degradacją, nanosrebro i kilka warstw funkcjonalnych, a to ewidentnie nie jest przepis na tani materiał, który jutro trafi do marketu budowlanego w postaci płyt elewacyjnych. Nawet jeśli sam nośnik jest tani i odnawialny, to cały stos aktywnych dodatków szybko przestaje być “zwykłym drewnem”. Do tego dochodzi pytanie o trwałość po tysiącach cykli nagrzewania i chłodzenia, o zachowanie materiału pod wpływem promieniowania UV, zabrudzeń, zmian wilgotności i uszkodzeń mechanicznych.
Energetyka coraz częściej idzie w stronę “ciepła na później”
Cała sprawa dobrze wpisuje się w szerszy kierunek, który przewija się regularnie w naszych artykułach. Zamiast pytać wyłącznie o to, jak zrobić lepszy panel, badacze coraz częściej pytają, jak przechować energię słoneczną w innej formie i oddać ją wtedy, kiedy będzie potrzebna. Stąd biorą się tematy takie jak drewniana ściana z PCM, magazyn MOST oparty na cząsteczkach organicznych, płynna bateria przechowująca energię w wiązaniach chemicznych czy układ, który potrafi przełączać się między produkcją prądu a dostarczaniem ciepła. Nie chodzi więc o pojedynczą ciekawostkę, ale o coraz wyraźniejszy zwrot w myśleniu o słońcu jako źródle nie tylko elektryczności, lecz także magazynowalnego ciepła.
Źródła: Tech Xplore, Advanced Energy Materials
