Stanford Meluncurkan Teknologi Bahan Bakar Cair yang Mengubah Permainan untuk Penyimpanan Energi Jaringan

Ilmuwan Stanford meningkatkan metode penyimpanan bahan bakar cair dengan mengembangkan sistem katalitik baru untuk produksi isopropanol guna mengoptimalkan retensi dan pelepasan energi.

Seiring dengan transisi cepat California ke bahan bakar terbarukan, California memerlukan teknologi baru yang dapat menyimpan energi untuk jaringan listrik. Tenaga surya turun di malam hari dan menurun di musim dingin. Tenaga angin mengalami pasang surut. Akibatnya, negara ini sangat bergantung pada fuel alam untuk memuluskan naik turunnya energi terbarukan.

“Jaringan listrik menggunakan energi dengan kecepatan yang sama dengan energi yang Anda hasilkan, dan jika Anda tidak menggunakannya pada saat itu, dan Anda tidak dapat menyimpannya, Anda harus membuangnya,” kata Robert Waymouth, Robert Eckles Swain. Profesor Kimia di Sekolah Humaniora dan Sains.

Waymouth memimpin tim Stanford untuk mengeksplorasi teknologi baru untuk penyimpanan energi terbarukan: pembawa hidrogen organik cair (LOHC). Hidrogen sudah digunakan sebagai bahan bakar atau alat pembangkit listrik, namun menampung dan mengangkutnya cukup rumit.

“Kami sedang mengembangkan strategi baru untuk mengubah secara selektif dan menyimpan energi listrik dalam bahan bakar cair dalam jangka panjang,” kata Waymouth, penulis senior studi yang merinci pekerjaan ini di Jurnal Persatuan Kimia Amerika. “Kami juga menemukan sistem katalitik selektif baru untuk menyimpan energi listrik dalam bahan bakar cair tanpa menghasilkan fuel hidrogen.”

Baterai Cair

Baterai yang digunakan untuk menyimpan listrik untuk jaringan listrik – ditambah baterai ponsel pintar dan kendaraan listrik – menggunakan teknologi lithium-ion. Karena besarnya penyimpanan energi, para peneliti terus mencari sistem yang dapat melengkapi teknologi tersebut.

Di antara kandidatnya adalah LOHC, yang dapat menyimpan dan melepaskan hidrogen menggunakan katalis dan suhu tinggi. Suatu hari nanti, LOHC dapat berfungsi secara luas sebagai “baterai cair”, menyimpan energi dan secara efisien mengembalikannya sebagai bahan bakar atau listrik yang dapat digunakan bila diperlukan.

Tim Waymouth mempelajari isopropanol dan aseton sebagai bahan dalam sistem penyimpanan dan pelepasan energi hidrogen. Isopropanol – atau alkohol gosok – adalah bentuk cair hidrogen dengan kepadatan tinggi yang dapat disimpan atau diangkut melalui infrastruktur yang ada hingga tiba waktunya untuk digunakan sebagai bahan bakar dalam sel bahan bakar atau untuk melepaskan hidrogen untuk digunakan tanpa mengeluarkan karbon dioksida.

Namun metode untuk memproduksi isopropanol dengan listrik tidak efisien. Dua proton dari air dan dua elektron dapat diubah menjadi fuel hidrogen, kemudian katalis dapat menghasilkan isopropanol dari hidrogen tersebut. “Tetapi Anda tidak ingin fuel hidrogen dalam proses ini,” kata Waymouth. “Kepadatan energi per satuan volumenya rendah. Kita memerlukan cara untuk membuat isopropanol langsung dari proton dan elektron tanpa menghasilkan fuel hidrogen.”

Daniel Marron, penulis utama studi ini yang baru saja menyelesaikan gelar PhD di bidang kimia dari Stanford, mengidentifikasi cara mengatasi masalah ini. Dia mengembangkan sistem katalis untuk menggabungkan dua proton dan dua elektron dengan aseton untuk menghasilkan isopropanol LOHC secara selektif, tanpa menghasilkan fuel hidrogen. Dia melakukan ini dengan menggunakan iridium sebagai katalis.

Kejutan utamanya adalah kobaltosen adalah bahan tambahan ajaib. Cobaltosen, senyawa kimia kobalt, logam tidak mulia, telah lama digunakan sebagai zat pereduksi sederhana dan harganya relatif murah. Para peneliti menemukan bahwa cobaltosen sangat efisien bila digunakan sebagai ko-katalis dalam reaksi ini, secara langsung mengirimkan proton dan elektron ke katalis iridium daripada melepaskan fuel hidrogen, seperti yang diperkirakan sebelumnya.

Masa Depan yang Mendasar

Kobalt sudah menjadi bahan umum dalam baterai dan permintaannya tinggi, sehingga tim Stanford berharap pemahaman baru mereka tentang sifat kobaltosen dapat membantu para ilmuwan mengembangkan katalis lain untuk proses ini. Misalnya, tim sedang mengeksplorasi katalis logam non-mulia yang lebih melimpah, seperti besi, untuk membuat sistem LOHC di masa depan lebih terjangkau dan terukur.

“Ini adalah ilmu dasar yang mendasar, tapi kami rasa kami memiliki strategi baru untuk lebih selektif menyimpan energi listrik dalam bahan bakar cair,” kata Waymouth.

Seiring dengan berkembangnya penelitian ini, harapannya adalah bahwa sistem LOHC dapat meningkatkan penyimpanan energi untuk industri dan sektor energi atau untuk pembangkit listrik tenaga surya atau angin.

Dan terlepas dari semua pekerjaan yang rumit dan menantang di balik layar, prosesnya, sebagaimana dirangkum oleh Waymouth, sebenarnya cukup elegan: “Ketika Anda memiliki energi berlebih, dan tidak ada permintaan terhadap energi tersebut di jaringan listrik, Anda menyimpannya sebagai isopropanol. Ketika Anda membutuhkan energi, Anda dapat mengembalikannya sebagai listrik.”

Referensi: “Switch Hidrida Katalitik yang Dimediasi Cobaltosen: Strategi Hidrogenasi Elektrokatalitik” oleh Daniel P. Marron, Conor M. Galvin, Julia M. Dressel dan Robert M. Waymouth, 12 Juni 2024, Jurnal Persatuan Kimia Amerika.
DOI: 10.1021/jacs.4c02177

Rekan penulis tambahan di Stanford adalah Conor Galvin, PhD '23, dan mahasiswa PhD Julia Dressel. Waymouth juga merupakan anggota Stanford Bio-X dan Stanford Most cancers Institute, anggota fakultas Sarafan ChEM-H, dan afiliasi dari Stanford Woods Institute for the Atmosphere.

Pekerjaan ini didanai oleh Nationwide Science Basis.