太陽エネルギーを最長18年間貯蔵できる液体燃料を開発



thepremierdaily.comより

太陽は、植物や微生物に命を与え、私たちに暖かさと日中の明るさをもたらし、無限の再生可能エネルギー源となっています。お湯や家を沸かしたり、車を走らせたりするには、太陽エネルギーが第一の選択肢となるはずです。しかし、太陽電池業界が長い間、頭を悩ませている問題があります。科学者たちは、太陽光で発電したエネルギーを長期的に保存するための、安価で効率的な方法を見つけるのに苦労しています。

それも今まではです。スウェーデンのチャルマース工科大学のチームは、太陽からのエネルギーを最大18年間貯蔵できる特殊な太陽熱燃料を開発した。

液化した分子

この熱燃料は、実はノルボルナジエン(発音:nor-born-a-dye-een)という分子が液体状になったもので、チャルマーズのチームは2018年からその改良に取り組んでいます。

これまで、太陽エネルギーを蓄えるために私たちが考え出した最良の方法は、バッテリーの形をしています。この技術の開発をリードしてきたのがテスラ社で、非常に効果的ではあるものの、高価なものです。同社の新製品であるPowerwallシステムを自宅に設置するには、約2万ドルかかります[3]。当然のことながら、再生可能エネルギーで家をまかないたいと考えているほとんどの人にとって、この費用は高額です。

スウェーデンの研究チームは、この新技術によって、より多くの人が太陽光で家をまかなえるようになることを期待しています。「太陽熱燃料は充電式電池のようなものですが、電気の代わりに太陽光を入れて、必要に応じて熱を取り出すことができます」と、MITでこのような材料の研究を行っている研究室を率いるジェフリー・グロスマンは言います。

フォトスイッチによる太陽エネルギーの貯蔵

この新技術は、光異性化と呼ばれるプロセスにより、ノルボルナジエン(NBD)をその異性体であるクアドリシクラン(QC)に変換するものです。

その前に、いくつかのことを整理しておきましょう。

異性体とは、同じ原子で構成されている(「成分」が同じだと言ってもいい)が、その原子が空間的に異なる配置になっている2つの分子のことである[5]。異性体を手袋に例えると、どちらの手袋にも4本の指と親指がありますが、右手用の手袋は右手にしか合わず、左手用の手袋は左手にしか合いません。この場合、ノルボルナジエン(NBD)とクアドリシクラン(QC)の2つの異性体は、どちらも水素、炭素、窒素で構成されているが、これらの原子は異なる順序で並んでいる。



太陽電池の燃料であるノルボルナジエンからクアドリシクランへの変換。
ロイヤルソサイエティオブケミストリー

光異性化は、一方の異性体(NBD)の分子が太陽光を吸収して励起することで、分子が再配列して新たな異性体(QC)になることで起こる。光異性化は、一方の異性体(NBD)の分子が太陽光を吸収して励起され、再配列して新たな異性体(この場合はQC)になることで起こる。NBDが異性体QCに変化するとき、エネルギーが分子内に閉じ込められる。このエネルギーを帯びた新しい分子は安定しており、強い化学結合を持っているため、そのエネルギーを長時間にわたって蓄えることができるのである[6]。このプロセスの重要な点は、元に戻すことができることです。

エネルギーの解放

エネルギーを蓄えることは非常に重要ですが、いったん蓄えたエネルギーを取り出せなければ意味がありません。例えば、金庫に入れたまま鍵をなくしてしまったようなものです。

QC分子に閉じ込められていたエネルギーを得るためには、それをNBDに戻す必要があります。チャルマース大学の研究チームは、QC分子を触媒に通して、分子を元の状態に再編成した。

この過程で、分子は熱という形でエネルギーを放出する。このプロジェクトに携わる科学者たちは、分子を触媒に通すと、燃料が摂氏63度(華氏113度)も加熱されることを発見した

この液体の熱は、家庭やオフィス、公共スペースなどの暖房に利用できます。

再生可能で費用対効果の高いエネルギー

このソーラー燃料は、家や工場の中の断熱されていないタンクに貯蔵したり、都市とソーラーファームの間をトラックやパイプラインで移動させることも可能です。このプロジェクトに参加しているチームメンバーの一人、カスパー・モス=ポールソンは、燃料も触媒もプロセス中にほとんど損傷を受けないため、システムを閉ループで稼働させ、太陽光を拾っては熱を放出することを何度も繰り返すことができると説明する。

「125回のサイクルを繰り返しても、大きな劣化はありませんでした」とモス=ポールセンは言う。

この燃料は、1kgあたり最大250ワット時のエネルギーを蓄えることができ、これはテスラのパワーウォール・バッテリーの2倍の容量にあたります。

ソーラーパワーの未来

この研究は非常にエキサイティングなものですが、まだ実用化には至っていません。

「Moth-Poulsenは、「私たちは多くのことを成し遂げましたが、まだ多くのことを解明しなければなりません」と語っています。

これまでに複数の燃料を開発してきたので、次のステップとして、保存期間が長く、エネルギー密度が高く、リサイクル性に優れた単一の燃料を作ることを目指しています。

現在、この燃料の効率は非常に低く、太陽の最も短い波長(紫外線と青色)にしか反応しないため、私たちが利用できる太陽エネルギーのわずか5%にすぎません。研究チームは、燃料の感度を高めて、より幅広い波長に反応するようにしています。

電気を作るためには、熱いほうがいい。モスプルソンは、温度を80℃以上に上げることを目指している。

今後10年以内にこの新技術が使えるようになることを期待しています。

「私が始めた頃は、この種のシステムを研究している研究グループは本当に1つしかありませんでした」とモス=ポールセンは振り返る。しかし、その進歩により、他の研究者たちもこの課題に取り組むようになりました。「今では、アメリカ、中国、ドイツなど、世界中で15のチームが活動しています」。

多くのグループがこのプロジェクトに取り組んでおり、2030年には太陽光で家を暖めるようになるかもしれません。

https://thepremierdaily.com/scientists-create-liquid-fuel-that-can-store-the-suns-energy-for-up-to-18-years/
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