סוג חדש של סוללה יעילה

חוקרים מהארווארד מדווחים על סוללת זרימה נטולת מתכת המבוססת על האלקטרוכימיה של מולקולות אורגניות קטנות, זולות ונפוצות בטבע הקרויות קווינונים (Quinone), הדומות לאותן המולקולות המאחסנות אנרגיה בצמחים ובבע"ח.

צוות של חוקרים ומהנדסים מאוניברסיטת הרווארד הדגים סוג חדש של סוללה שתוכל לשנות מן היסוד את האופן שבו מאוחסן חשמל ברשת החשמל, תוצאה שתוכל להפוך את הייצור של חשמל ממקורות אנרגיה מתחדשים, כגון הרוח או השמש, לזול ואמין יותר ויותר.

מאמר חדש מדווח על סוללת זרימה נטולת מתכת המבוססת על האלקטרוכימיה של מולקולות אורגניות קטנות, זולות ונפוצות בטבע הקרויות קווינונים (Quinone), הדומות לאותן המולקולות המאחסנות אנרגיה בצמחים ובבע"ח.

חוסר התיאום בין הזמינות הארעית של רוח או קרני שמש לבין השתנות הביקושים של חשמל הוא המכשלה הגדולה ביותר לאספקת נתח נכבד מהחשמל הנצרך ע"י האדם ממקורות מתחדשים. אמצעים חסכוניים לאחסונן של כמויות נכבדות של אנרגיית חשמל יוכלו לפתור את הבעיה הזו.

הסוללה החדשה נהגתה, נבנתה ונבדקה במעבדתו של פרופסור Tracy Sykes מהמחלקה לחומרים ולטכנולוגיות אנרגיה באוניברסיטת הרווארד. הפרופסור לכימיה ולביולוגיה כימיתAlán Aspuru-Guzik עשה שימוש בשיטות הניפוי המולקולארי המתוחכמות שלו על מנת לחשב את התכונות של יותר מעשרת אלפי מולקולות מסוג קווינון בחיפוש אחר המועמדים המתאימים ביותר לסוללה זו.

סוללות זרימה מאחסנות בתוכן אנרגיה בצורת נוזלים כימיים הנמצאים במכלים חיצוניים – בדומה לתאי דלק – במקום בתוך מיכל הסוללה עצמו. שני הרכיבים העיקריים – ההתקן האחראי להמרת האנרגיה האלקטרוכימית והמכלים המאחסנים את הכימיקלים, ניתנים להפרדה. אולם, כמות האנרגיה שניתן לאחסן מוגבלת ע"י גודל המיכלים בלבד. העיצוב החדש של צוות החוקרים מאפשר אחסון של כמות אנרגיה גדולה יותר ובעלות נמוכה יותר מאשר בסוללות שכיחות.

בניגוד לכך, בסוללות מסוג אלקטרודת מוצק, הנמצאות באופן שכיח במצברי מכוניות ובהתקנים ניידים, שני הרכיבים השונים (התקן ההמרה ומיכל הכימיקלים) ארוזים יחדיו בתוך יחידה אחת ואינם ניתנים להפרדה. כתוצאה מכך, הם מסוגלים לאחסן אנרגיה ארעית בלבד המגיעה ממקורות מתחדשים.

"המחקרים שלנו מראים כי נדרשת כמות אחסון אנרגיה של בין יום ליומיים על מנת להזרים את האנרגיה שמקורה בשמש או ברוח דרך רשת החשמל הקיימת", מסביר החוקר. על מנת לאחסן 50 שעות אנרגיה מתוך טורבינת רוח בקיבולת של מגה-וואט אחד (50 מגה-וואט שעות), לדוגמה, ניתן להשתמש בפתרון של קניית סוללות רגילות בקיבולת של 50 מגה-וואט שעות, אולם הם יחייבו רכישה של 50 מגה-וואט קיבולת. תשלום על 50 מגה-וואט קיבולת כאשר אנו נזקקים לכמות של 1 מגה-וואט בלבד אינה פתרון כלכלי במיוחד."

בשל סיבה זו, מספר הולך וגדל של מהנדסים מתחילים למקד את תשומת הלב המחקרית שלה בטכנולוגיות של סוללת זרימה. אולם, עד היום, סוללות זרימה היו מבוססות על כימיקלים שהיו יקרים או מורכבים לאחסון, מה שהגדיל את עלויות אחסון האנרגיה. הרכיבים הפעילים בתוך האלקטרוליטים במרבית מסוללות הזרימה היו עד היום מתכות. ברוב הטכנולוגיות המתקדמות המסחריות בתחום סוללות הזרימה הנמצאות היום בפיתוח נעשה שימוש במתכת ואנדיום, אולם מחירה הגבוה יחסית מקשה על ייצור סוללות זולות. סוללות זרימה אחרות כוללות בתוכן אלקטרוליטים מתכתיים יקרים כגון המתכת פלטינה המשמשת בתאי דלק. סוללת הזרימה החדשה המפותחת ע"י צוות המחקר בהרווארד כבר כיום פועלת באותה רמת היעילות כשל סוללות זרימה המבוססות על המתכת ואנדיום, זאת בעזרת כימיקלים הרבה פחות יקרים, וללא כל שימוש באלקטרוליטים המכילים מתכות יקרות.

"בתחום אחסון האנרגיה משתמשים כולם ביוני מתכת בתצורות שונות, אולם קיים מספר מוגבל מסוגם שאתה יכול להכניס לתמיסה המשמשת לאחסון אנרגיה, ואף אחד מהם לא יכול לאחסן באופן חסכוני כמויות אדירות של אנרגיה מתחדשת," מסביר החוקר הראשי. "בעזרת השימוש במולקולות אורגניות, אנו מציגים אוסף חדש לחלוטין של אפשרויות. חלקן יהיה גרוע וחלקן האחר מוצלח מאוד. הקווינונים שמצאנו הם הראשונים שנראים ממש מוצלחים לשימוש זה". "מיזם זה מדגים את כוחו של שיתוף הפעולה בין כימייה קוונטית מתוחכמת לבין כימיה ניסויית במעבדה," הוא מוסיף ואומר. "תוך תקופת זמן קצרה ביותר הצוות שלנו הצליח להגיע למולקולה הנכונה. ניפוי ממוחשב, יחד עם ניסויים במעבדה, יכולים להוביל לגילויים של חומרים חדשים עבור יישומים רבים."

מולקולות קווינון מצויות בשפע בנפט גולמי וכן בצמחים ירוקים. המולקולה בה השתמש צוות המחקר בסוללת הזרימה הראשונה אי-פעם המבוססת על קווינון, היא כמעט זהה לזו הנמצאת בצמח הריבס. מולקולות אלו מתמוססות במים, מה שמונע את היותן דליקות.

על מנת לגבות טורבינה מסחרית יהיה צורך במיכל אחסון גדול, כזה שניתן למקמו במרתף תת-קרקעי, מסביר אחד מהחוקרים. במידה ויש לך שדה שלם של טורבינות או חווה סולארית גדולה, תוכל לדמיין מספר מכלי אחסון גדולים מאוד.

אותה הטכנולוגיה תוכל להיות ישימה גם ברמת הצרכן, מסביר החוקר. "דמיין לעצמך מיכל בגודל של תנור נפט הנמצא במרתף שלך. מיכל כזה יוכל לאגור את כמות האנרגיה שמקורה ביום שלם של אור שמש תוך ניצול פאנלים סולאריים הנמצאים על גג הבית, ולספק די אנרגיה לצריכה ביתית במהלך שעות הערב והלילה כולו, וזאת מבלי לשרוף כל דלק."

בשלבים הבאים, החוקרים מתכננים לבחון עוד ולשפר עוד יותר את המערכת הראשונית ולקדם אותה לרמה מסחרית. "עד עכשיו לא חזינו בכל שחיקה שהיא לאחר יותר ממאה מחזורים, אולם יישומים מסחריים מחייבים ניצול של אלפי מחזורים," מסביר החוקר הראשי. בנוסף, הם אופטימיים במיוחד בנוגע למציאת מולקולות יעילות עוד יותר.

החוקרים צופים כי בתום שלוש שנות המחקר הראשוני הם יוכלו להציג גרסאות הדגמה של סוללת זרימה אורגנית הנמצאת בתוך יחידה שגודלה כגודל גרור של סוס. מערכת אחסון ניידת כזו תוכל להתחבר לפאנלים סולאריים הנמצאים על גביי הגגות של בנינים מסחריים ולספק באופן ישיר את תצרוכת האנרגיה של הבניין או לאגור את האנרגיה שבה לא נעשה שימוש לתקופות ביקוש במועד מאוחר יותר.

"באופן עקרוני, כאשר המערכת תוכח כיעילה וחסכונית, ניתן יהיה לחבר אותה לכל אחד מעמודי החשמל המוליכים חשמל במסגרת רשת החשמל הקיימת," מסביר החוקר הראשי. "בנוסף, המערכת שימושית לאחסון אנרגיה בזמנים שבהם מחיר החשמל גבוה ולמכור אותה בחזרה במחיר הגבוה יותר. יתרה מכך, יחידות אלו ייתרו את הצורך בהקמתן של תחנות כוח הפועלות על גז או פחם המזהמים את הסביבה. מערכת מעין זו תוכל להיות גם שימושית במיוחד באותם אזורים בהן רשת החשמל מוגבלת או לא קיימת כלל.

"לסיכומו של דבר, בעיית האחסון הזמני של אנרגיה מתוך מקורות מתחדשים היא החסם הגדול ביותר לקבלת רוב האנרגיה שלנו מהשמש ומהרוח," מציין החוקר הראשי. "סוללת זרימה בטוחה וזולה תוכל ליטול תקפיד חשוב במעבר של האנושות משימוש בדלקי מאובנים לשימוש בדלקים ממקורות מתחדשים. אני שמח שיש לנו סיכוי טוב לכך."

הידיעה על המחקר