Według nowych badań dwa z najbardziej wszechobecnych materiałów historycznych ludzkości, cement i sadza (która przypomina bardzo drobny węgiel drzewny), mogą stanowić podstawę nowatorskiego, taniego systemu magazynowania energii. Technologia może ułatwić korzystanie z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i pływowa, umożliwiając stabilność sieci energetycznych pomimo wahań w dostawach energii odnawialnej.
Naukowcy odkryli, że te dwa materiały można połączyć z wodą, aby stworzyć superkondensator – alternatywę dla baterii – który mógłby zapewnić magazynowanie energii elektrycznej. Na przykład naukowcy z MIT, którzy opracowali system, twierdzą, że ich superkondensator mógłby zostać ostatecznie włączony do betonowego fundamentu domu, gdzie mógłby przechowywać energię na cały dzień, dodając niewiele (lub nie) do kosztów fundamentu i nadal zapewnia wymaganą wytrzymałość konstrukcyjną. Naukowcy przewidują również betonową jezdnię, która mogłaby zapewnić bezdotykowe ładowanie samochodów elektrycznych podczas jazdy po tej drodze.
Prosta, ale innowacyjna technologia została opisana w artykule, który ma się ukazać w czasopiśmie PNAS, w artykule profesorów MIT Franza-Josefa Ulma, Admira Masica i Yang-Shao Horna oraz czterech innych z MIT i Instytutu Wyss.
Kondensatory to w zasadzie bardzo proste urządzenia, składające się z dwóch płytek przewodzących prąd elektryczny, zanurzonych w elektrolicie i oddzielonych membraną. Kiedy napięcie jest przyłożone do kondensatora, dodatnio naładowane jony z elektrolitu gromadzą się na ujemnie naładowanej płytce, podczas gdy dodatnio naładowana płytka gromadzi jony naładowane ujemnie. Ponieważ membrana między płytkami blokuje migrację naładowanych jonów, to rozdzielenie ładunków tworzy pole elektryczne między płytami, a kondensator zostaje naładowany. Dwie płyty mogą utrzymywać tę parę ładunków przez długi czas, a następnie dostarczać je bardzo szybko w razie potrzeby. Superkondensatory to po prostu kondensatory, które mogą przechowywać wyjątkowo duże ładunki.
Ilość energii, jaką może zgromadzić kondensator, zależy od całkowitej powierzchni jego płyt przewodzących. Kluczem do nowych superkondensatorów opracowanych przez ten zespół jest metoda wytwarzania materiału na bazie cementu o wyjątkowo dużej powierzchni wewnętrznej dzięki gęstej, wzajemnie połączonej sieci materiału przewodzącego w jego objętości. Naukowcy osiągnęli to, wprowadzając sadzę – która jest wysoce przewodząca – do mieszanki betonowej wraz z proszkiem cementowym i wodą i pozwalając jej utwardzić się. Woda naturalnie tworzy rozgałęzioną sieć otworów w strukturze, gdy reaguje z cementem, a węgiel migruje do tych przestrzeni, tworząc struktury przypominające druty w stwardniałym cemencie. Struktury te mają strukturę podobną do fraktali, z większymi gałęziami wyrastającymi z mniejszych gałęzi, a tymi z jeszcze mniejszymi gałązkami i tak dalej, kończąc na niezwykle dużej powierzchni w ramach stosunkowo małej objętości. Materiał jest następnie moczony w standardowym materiale elektrolitycznym, takim jak chlorek potasu, rodzaj soli, który dostarcza naładowane cząstki gromadzące się na strukturach węglowych. Naukowcy odkryli, że dwie elektrody wykonane z tego materiału, oddzielone cienką przestrzenią lub warstwą izolującą, tworzą bardzo potężny superkondensator.
Dwie okładki kondensatora działają podobnie jak dwa bieguny akumulatora o równoważnym napięciu: po podłączeniu do źródła energii elektrycznej, tak jak w przypadku baterii, energia jest magazynowana w okładkach, a następnie, po podłączeniu do obciążenia, prąd płynie z powrotem, aby zapewnić moc.
„Materiał jest fascynujący”, mówi Masic, „ponieważ masz najczęściej używany na świecie materiał wytworzony przez człowieka, cement, który łączy się z sadzą, czyli dobrze znanym materiałem historycznym – Zwoje znad Morza Martwego były za jego pomocą jest napisane. Masz materiały sprzed co najmniej dwóch tysięcy lat, które łącząc je w określony sposób, tworzą przewodzący nanokompozyt i wtedy sprawy stają się naprawdę interesujące.
Mówi, że gdy mieszanina twardnieje i twardnieje, „woda jest systematycznie zużywana w reakcjach hydratacji cementu, a ta hydratacja zasadniczo wpływa na nanocząsteczki węgla, ponieważ są one hydrofobowe (odpychają wodę)”. Gdy mieszanina ewoluuje, “sadza samoorganizuje się w połączony przewód przewodzący” – mówi. Proces jest łatwy do odtworzenia, a materiały są niedrogie i łatwo dostępne na całym świecie. A ilość potrzebnego węgla jest bardzo mała – zaledwie 3 procent objętości mieszanki – aby uzyskać perkolowaną sieć węglową, mówi Masic.
Superkondensatory wykonane z tego materiału mają ogromny potencjał, aby pomóc światu w przejściu na energię odnawialną, mówi Ulm. Główne źródła bezemisyjnej energii, wiatr, energia słoneczna i energia pływów, wytwarzają swoją produkcję w różnych momentach, które często nie odpowiadają szczytom zużycia energii elektrycznej, dlatego niezbędne są sposoby magazynowania tej energii. „Istnieje ogromne zapotrzebowanie na duże magazyny energii”, mówi, a istniejące baterie są zbyt drogie i opierają się głównie na materiałach takich jak lit, którego podaż jest ograniczona, więc bardzo potrzebne są tańsze alternatywy. “W tym miejscu nasza technologia jest niezwykle obiecująca, ponieważ cement jest wszechobecny” – mówi Ulm.
Zespół obliczył, że blok betonu domieszkowanego nanowęglem i czernią o objętości 45 metrów sześciennych (lub jardów) – co odpowiada sześcianowi o średnicy około 3,5 metra – miałby wystarczającą pojemność do przechowywania około 10 kilowatogodzin energii. co jest uważane za średnie dzienne zużycie energii elektrycznej w gospodarstwie domowym. Ponieważ beton zachowałby swoją wytrzymałość, dom z fundamentem wykonanym z tego materiału mógłby zmagazynować dzienną ilość energii wytwarzanej przez panele słoneczne lub wiatraki i pozwolić na jej wykorzystanie w dowolnym momencie. Ponadto superkondensatory można ładować i rozładowywać znacznie szybciej niż akumulatory.
Po serii testów użytych do określenia najbardziej efektywnych proporcji cementu, sadzy i wody, zespół zademonstrował ten proces, tworząc małe superkondensatory, mniej więcej wielkości niektórych baterii guzikowych, o średnicy około 1 centymetra i grubości 1 milimetra. z których każdy można naładować do 1 wolta, co jest porównywalne z 1-woltową baterią. Następnie połączyli trzy z nich, aby zademonstrować ich zdolność do świecenia 3-woltowej diody elektroluminescencyjnej (LED). Po udowodnieniu zasady planują teraz zbudować serię większych wersji, zaczynając od tych o wielkości typowego 12-woltowego akumulatora samochodowego, a następnie pracując nad wersją o pojemności 45 metrów sześciennych, aby zademonstrować, że może pomieścić dom -wartość mocy.
Odkryli, że istnieje kompromis między pojemnością magazynową materiału a jego wytrzymałością strukturalną. Dzięki dodaniu większej ilości sadzy, uzyskany superkondensator może magazynować więcej energii, ale beton jest nieco słabszy, co może być przydatne w zastosowaniach, w których beton nie odgrywa roli konstrukcyjnej lub w których pełny potencjał wytrzymałościowy betonu nie jest wymagany. Odkryli, że w przypadku zastosowań takich jak fundamenty lub elementy konstrukcyjne podstawy turbiny wiatrowej „najlepszym punktem” jest około 10 procent sadzy w mieszance.
Innym potencjalnym zastosowaniem superkondensatorów węglowo-cementowych jest budowa betonowych jezdni, które mogłyby magazynować energię wytwarzaną przez panele słoneczne wzdłuż drogi, a następnie dostarczać tę energię do pojazdów elektrycznych poruszających się po drodze przy użyciu tej samej technologii, co w telefonach ładowanych bezprzewodowo. Pokrewny typ systemu ładowania samochodów jest już opracowywany przez firmy w Niemczech i Holandii, ale wykorzystuje standardowe akumulatory do przechowywania.
Naukowcy twierdzą, że początkowe zastosowania tej technologii mogą dotyczyć izolowanych domów, budynków lub schronów z dala od sieci energetycznej, które mogłyby być zasilane przez panele słoneczne przymocowane do cementowych superkondensatorów.
Ulm mówi, że system jest bardzo skalowalny, ponieważ zdolność magazynowania energii jest bezpośrednią funkcją objętości elektrod. „Możesz przejść od elektrod o grubości 1 milimetra do elektrod o grubości 1 metra, a robiąc to, zasadniczo możesz skalować pojemność magazynowania energii od oświetlenia diody LED przez kilka sekund do zasilania całego domu” – mówi.
W zależności od właściwości pożądanych dla danego zastosowania, system można dostroić, dostosowując mieszankę. Ulm mówi, że w przypadku drogi do ładowania pojazdów potrzebne byłyby bardzo szybkie prędkości ładowania i rozładowywania, podczas gdy w przypadku zasilania domu „masz cały dzień na ładowanie”, więc można zastosować wolniej ładujący się materiał.
„Tak więc jest to naprawdę wielofunkcyjny materiał” – dodaje. Oprócz zdolności do magazynowania energii w postaci superkondensatorów, ten sam rodzaj mieszanki betonowej może być używany jako system grzewczy, po prostu doprowadzając energię elektryczną do betonu z dodatkiem węgla.
Ulm postrzega to jako „nowy sposób patrzenia na przyszłość betonu jako część transformacji energetycznej”.
W skład zespołu badawczego weszli również doktoranci Nicolas Chanut i Damian Stefaniuk z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska MIT, James Weaver z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering oraz Yunguang Zhu z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT. Prace były wspierane przez MIT Concrete Sustainability Hub, przy sponsorowaniu przez Concrete Advancement Foundation.