Em menos de oito horas, luz solar suficiente atinge a Terra para atender a todas as necessidades de energia da humanidade por um ano.

De acordo com pesquisa publicada pela Agência Internacional de Energia, o mundo consumiu 18,3 terawatts anos (TWy) de energia em 2014. Leva apenas oito horas de luz solar para ser capaz de produzir 21 TWy de energia solar. E o custo de produção caiu drasticamente nos últimos anos.

Então, por que não o estamos usando para alimentar todo o planeta?

O principal problema é o armazenamento. O sol não brilha à noite, então a energia deve ser armazenada até que as pessoas precisem usá-la.

Como o custo de produção de energia caiu - um estudo do Lawrence Berkeley National Lab de 2016 mostrou que os custos do projeto solar nos Estados Unidos caíram dois terços desde 2009 - a demanda aumentou. Como resposta, as concessionárias instalaram duas vezes e meia mais tecnologia solar do que os consumidores residenciais e comerciais juntos.

Nossas opções de armazenamento atuais não conseguem acompanhar.

Painéis solares em escala de serviço público requerem grande armazenamento. Na Austrália, A Tesla instalou recentemente um enorme conjunto de baterias de íon de lítio para armazenar energia renovável, mas o lítio não é um recurso ilimitado, e as baterias não são ideais para todas as situações - muitos Albertanos sabem que as baterias de íon de lítio em seus telefones não gostam do frio. Se planejamos mover o mundo inteiro para fontes como a energia solar e outras energias renováveis, precisamos de várias maneiras de armazenar a energia.

Quando a iniciativa de pesquisa de Sistemas de Energia do Futuro da Universidade de Alberta de US $ 75 milhões foi lançada no final de 2016, enfrentar este problema era uma das principais prioridades.

Entre os cientistas que recebem financiamento da iniciativa está o químico Steve Bergens. Ele está trabalhando em uma alternativa em escala de serviço público que aproveitaria as vantagens da infraestrutura existente e economizaria baterias químicas para usos em menor escala.

“O dióxido de carbono e a água estão por toda parte, Ele explicou. "Podemos combiná-los com a luz do sol e armazenar a energia solar como combustível."

Armazenamento de energia solar em combustíveis sintéticos

"Os combustíveis ocorrem naturalmente, então, algumas pessoas podem não pensar neles como uma tecnologia de armazenamento, "Bergens explicou." Mas, como as baterias, os combustíveis nos permitem transportar a energia armazenada para onde precisamos e acessá-la quando quisermos. "

Os combustíveis mais comuns de hoje são os hidrocarbonetos, como o gás natural. Quando esses hidrocarbonetos são queimados, o carbono é liberado na atmosfera como o gás de efeito estufa CO2. Para evitar CO2, poderíamos adaptar todo o nosso sistema de energia para queimar hidrogênio puro, mas Bergens acha que a proposição não é realista no curto prazo.

“Gastamos décadas e muito dinheiro construindo um sistema que funciona com hidrocarbonetos, então não é razoável esperar que tudo mude de uma vez, "disse ele." Mas e se em vez de liberar dióxido de carbono na atmosfera, podemos capturá-lo e combiná-lo com água e energia solar para fazer combustíveis de hidrocarbonetos reutilizáveis? "

Bergens esboça o processo químico no quadro-negro de seu escritório:"Quando queimado, o gás natural e o oxigênio do ar formam a água, dióxido de carbono e energia. "

Teoricamente, esse processo pode ser revertido:a luz solar pode ser aplicada à água e ao dióxido de carbono, criando gás natural sintético com oxigênio puro como subproduto. Quando esse combustível é queimado, o dióxido de carbono nunca precisaria ser liberado - apenas capturado e reciclado para fazer mais combustível sintético.

As fórmulas conferem, mas poucas coisas são tão fáceis quanto parecem em um quadro-negro.

Construindo moléculas acessíveis

Mona Amiri é uma pós-doutoranda que trabalha com a equipe do laboratório de Bergens para desenvolver catalisadores que podem fazer com que a reação ao quadro-negro aconteça na vida real.

Construindo no nível atômico e de forma modular, ela e os alunos Chao Wang e Octavio Perez estão criando moléculas únicas em que cada uma desempenha uma função individual no processo geral. Essas moléculas podem ser otimizadas e estudadas separadamente, em seguida, podem ser facilmente montados como blocos de construção - ou até mesmo se automontados - para funcionar como uma única unidade.

Essa abordagem permite que a equipe identifique rapidamente os pontos fracos, troque componentes individuais e, eventualmente, reduza os custos de engenharia realizando todo o processo em uma unidade. Mas só faz sentido se os catalisadores e componentes forem acessíveis.

"A maioria dos catalisadores que conhecemos que podem conseguir isso são baseados em metais caros como platina e irídio, "Amiri apontou." Atualmente, nós os usamos para validar os princípios, mas precisamos encontrar alternativas mais abundantes para adoção generalizada. "

Com aquilo em mente, Amiri e a equipe estão desenvolvendo novos catalisadores baseados em elementos comuns como o ferro. Até agora, essas moléculas mais comuns não estão se mostrando tão eficientes ou duradouras, mas ela está confiante de que podem ser transformados em alternativas úteis.

“Será preciso combinar eficiência, vida útil, acessibilidade e disponibilidade, " ela disse.

Quando ela e a equipe de Bergens encontram o equilíbrio certo, a tecnologia resultante pode ser um ponto de partida crucial.

Uma tecnologia de transição

Com os catalisadores certos, usinas de gás natural em todo o mundo poderiam ter usinas de combustível solar construídas ao lado delas, capturando seu CO2 e reagindo com água e luz solar. O resultado pode ser um sistema de carbono completamente fechado no qual as usinas geram energia por meio da combustão, mas o CO2 nunca é liberado na atmosfera.

"Isso não vai acontecer amanhã, "Disse Bergens." Mas, a médio prazo, isso poderia nos dar tempo para lançar novos combustíveis que usem algo diferente do carbono. "

Bergens tem algumas ideias sobre como poderia ser esse novo combustível. Ele desenha uma molécula em seu quadro-negro que liga o hidrogênio a outro elemento comum, e não emitiria nada além de água quando queimado - mas então ele a apaga rapidamente.

"Isso é mais longe no futuro, "ele disse com um sorriso." Mas funciona no quadro-negro. "