Nieuw materiaal kan zonne-energie maandenlang bewaren

Een nieuw materiaal kan zonne-energie genereren en deze energie voor meerdere maanden bewaren bij kamertemperatuur. Het materiaal kan onder meer helpen overschotten aan zonne-energie die is opgewekt in de zomer in te zetten in de wintermaanden. Het gaat om een kristallijn materiaal, dat zodra energie nodig is deze kan afgeven in de vorm van warmte.

Het materiaal is ontwikkeld door onderzoekers John Griffin, Kieran Griffiths en Nathan Halcovitch van de Britse Universiteit van Lancaster. Wereldwijd en zeker in Europa stappen we af van fossiele brandstoffen en maken de overstap naar duurzame energiebronnen. Dit brengt echter ook uitdagingen met zich mee. Zo is de zon een interessante bron van duurzame energie, maar levert niet altijd evenveel energie op. Door de intensiteit van de zon kan de opbrengst in de zomermaanden bijvoorbeeld aanzienlijk hoger zijn dan in de wintermaanden.

Onbalans

Dit zorgt voor een onbalans in de productie van en vraag naar energie, wat moet worden opgevangen. De ontwikkeling van de Universiteit van Lancaster kan hierbij mogelijk helpen. De universiteit meldt een materiaal te hebben ontwikkeld dat niet alleen zonne-energie kan opwekken, maar deze energie ook langere tijd kan opslaan. Dit maakt het in theorie mogelijk in de zomer opgewekte zonne-energie in het materiaal op te slaan en deze in de wintermaanden te laten afgeven.

De onderzoekers voorzien echter ook andere toepassingen. Zo zien wij een dunne coating van het materiaal voor zich, dat aan de buitenzijde van kantoorgebouwen en woningen kan worden aangebracht om energie op te slaan. Een ander voorbeeld dat de onderzoekers omschrijven zijn autoruiten. Door hierop een coating van het materiaal te brengen kan de energie die nodig is om de ruiten te ontdooiing tijdens de winter rechtstreeks in de ramen worden opgeslagen.

Metaal-organisch raamwerk

Het materiaal is gebaseerd op een zogeheten ‘metaal-organisch raamwerk’ (metal-organic framework / MOF). Een MOF bestaat uit een netwerk van metaal-ionen die verbonden zijn via koolstofgebaseerde moleculen voor de vorming van 3D-structuren. Een belangrijk kenmerk van MOF’s is dat zij poreus zijn, wat betekent dat zij composieten kunnen worden door andere kleine moleculen in hun structuren onder te brengen.

De onderzoekers van de Universiteit van Lancaster hebben een bestaande MOF-composiet onderzocht: DMOF1. Deze is eerder ontwikkeld door de Japanse Universiteit van Kyoto voor een ander doeleinden. De Britse onderzoekers hebben onderzocht of DMOF1 ook geschikt is voor de opslag van energie, iets wat eerder niet is onderzocht.

Azobenzeen moleculen

Tijdens hun experiment hebben de onderzoekers de poriën van MOF gevuld met azobenzeen moleculen, een materiaal dat licht sterk absorbeert. Deze moleculen kunnen als foto-elektrische schakelaar functioneren. Dit zijn een soort moleculaire machines die van vorm veranderen indien zij door externe factoren zoals licht of warmte worden gestimuleerd.

Het materiaal is vervolgens blootgesteld aan UV-licht, wat ervoor zorgt dan de azobenzeen moleculen van vorm veranderen en onder spanning komen te staan. Hierbij wordt energie opgeslagen, vergelijkbaar met de wijze waarop een veer energie opslaat. Doordat de moleculen in de kleine poriën van de MOF worden bewaard, kan deze gedurende een langere periode bij kamertemperatuur worden bewaard.

Geschikt voor tenminste vier maanden opslag

De opgeslagen energie kan worden vrijgegeven door het toepassen van externe warmte, waarmee de status van de schakelaar kan worden veranderd. Ook blijkt uit de experimenten van de Universiteit van Lancaster dat de energie zeer snel kan worden afgegeven. Het materiaal blijkt tijdens de experimenten geschikt om energie voor een periode van tenminste vier maanden op te slaan. Ter vergelijking: bij de meeste vergelijkbare materialen is dit slechts enkele uren of dagen.

Een ander belangrijke verschil tussen de DMOF1 en andere concepten voor energieopslag in foto-elektrische schakelaars is dat deze schakelaars bij eerdere experimenten zich in een vloeistof moesten bevinden. Dit is bij DMOF1 niet het geval. Doordat een vast materiaal wordt gebruikt is het chemisch stabieler en eenvoudiger op te slaan, melden de onderzoekers. Dit maakt het onder meer eenvoudiger het materiaal te verwerken in coatings en losstaande apparaten.

“Het materiaal functioneert een beetje als faseovergang materialen, die gebruikt worden in handwarmers. Handwarmers moeten echter worden verwarmd om hen op te laden. Het mooie aan dit materiaal is dat het ‘gratis’ energie verkrijgt, direct van de zon. Er zijn geen bewegende of elektronische onderdelen en er is geen verlies bij de opslag en het vrijgeven van zonne-energie. We hopen ook andere materialen te kunnen ontwikkelen die nog meer energie kunnen opslaan”, legt Dr. John Griffin, Hoogleraar Materiaalchemie bij de Lancaster Universiteit en betrokken bij het onderzoek.

Meer informatie is hier beschikbaar.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Afbeelding: Karolina Grabowska via Pixabay