Dwa z najczęściej występujących w historii ludzkości materiałów, cement i czarny węgiel (przypominający bardzo drobne węgle drzewne), mogą stanowić podstawę dla nowatorskiego, niskokosztowego systemu magazynowania energii, według nowego badania. Technologia ta mogłaby ułatwić korzystanie z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i pływowa, pozwalając sieciom energetycznym pozostać stabilnymi pomimo fluktuacji w dostawie energii odnawialnej.

 

Oba materiały, jak stwierdzili badacze, mogą być połączone z wodą, aby stworzyć superkondensator - alternatywę dla baterii - który mógłby przechowywać energię elektryczną. Na przykład badacze z MIT, którzy opracowali system, mówią, że ich superkondensator mógłby ostatecznie zostać wbudowany w betonowe fundamenty domu, gdzie mógłby przechowywać pełny dzień energii, dodając niewiele (lub wcale) do kosztu fundamentu i nadal zapewniając wymaganą wytrzymałość konstrukcji. Badacze wyobrażają sobie również betonową drogę, która mogłaby zapewniać bezdotykowe ładowanie samochodów elektrycznych podczas ich jazdy.

 

Prosta, ale innowacyjna technologia jest opisana w tym tygodniu w czasopiśmie PNAS, w artykule autorstwa profesorów MIT: Franz-Josefa Ulma, Admira Masica, Yang-Shao Horna, oraz czterech innych osób z MIT i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

 

Kondensatory to w zasadzie bardzo proste urządzenia, składające się z dwóch elektrycznie przewodzących płyt zanurzonych w elektrolicie i rozdzielonych membraną. Gdy napięcie jest przyłożone do kondensatora, pozytywnie naładowane jony z elektrolitu gromadzą się na ujemnie naładowanej płycie, podczas gdy pozytywnie naładowana płyta gromadzi jony o ujemnym ładunku. Ponieważ membrana między płytami blokuje jony naładowane od przemieszczania się, ta separacja ładunków tworzy pole elektryczne między płytami, a kondensator zostaje naładowany. Obie płyty mogą utrzymać tę parę ładunków przez długi czas, a następnie dostarczyć je bardzo szybko, gdy jest to potrzebne. Supercapacitors to po prostu kondensatory, które mogą przechowywać wyjątkowo duże ładunki.

 

Ilość energii, którą kondensator może przechowywać, zależy od całkowitej powierzchni jego przewodzących płyt. Klucz do nowych superkondensatorów opracowanych przez ten zespół wynika z metody produkcji materiału na bazie cementu o bardzo dużej wewnętrznej powierzchni, dzięki gęstej, połączonej sieci przewodzącego materiału w jego objętości. Badacze osiągnęli to, wprowadzając czarny węgiel - który jest wysoce przewodzący - do mieszaniny betonowej wraz z proszkiem cementowym i wodą, a następnie pozwalając jej utwardzać. Woda naturalnie tworzy sieć otworów w strukturze podczas reakcji z cementem, a węgiel migruje do tych przestrzeni, tworząc struktury przypominające druty w utwardzonym cemencie. Te struktury mają strukturę fraktalną, z większymi gałęziami wypuszczającymi mniejsze gałęzie, a te z kolei jeszcze mniejsze odgałęzienia, kończąc na wyjątkowo dużej powierzchni w stosunku do niewielkiej objętości. Materiał jest następnie moczony w standardowym elektrolicie, takim jak chlorek potasu, rodzaj soli, która dostarcza naładowane cząstki, które gromadzą się na strukturach węglowych. Dwie elektrody wykonane z tego materiału, rozdzielone cienką przestrzenią lub warstwą izolacyjną, tworzą bardzo potężny superkondensator, stwierdzili badacze.

 

Obie płyty kondensatora działają dokładnie tak samo jak dwa bieguny akumulatora o odpowiednim napięciu: gdy są podłączone do źródła energii elektrycznej, energia jest magazynowana na płytach, a gdy są podłączone do obciążenia, prąd elektryczny wraca, dostarczając energię.

 

"Materiał jest fascynujący", mówi Masic, "ponieważ mamy najczęściej używany przez człowieka materiał na świecie, cement, który jest łączony z czarnym węglem, który jest dobrze znanym historycznym materiałem - Zwoje z Qumran były nim pisane. Masz te co najmniej dwa tysiąclecia stare materiały, które gdy połączysz je w określony sposób, otrzymujesz przewodzący nanokompozyt, a wtedy rzeczy stają się naprawdę interesujące."

 

Podczas gdy mieszanina tężeje i utwardza się, mówi, "woda jest systematycznie konsumowana przez reakcje hydratacji cementu, a ta hydratacja fundamentalnie wpływa na nanocząsteczki węgla, ponieważ są hydrofobowe (odpychają wodę)". W miarę ewolucji mieszanki, "czarny węgiel samodzielnie tworzy połączony przewodzący drut", mówi. Proces ten jest łatwo powtarzalny, z materiałami, które są tanie i łatwo dostępne na całym świecie. A ilość potrzebnego węgla jest bardzo mała - nawet tak mała jak 3 procent objętości mieszanki - aby osiągnąć przesiąkniętą sieć węgla, mówi Masic.

 

Supercapacitors wykonane z tego materiału mają wielki potencjał, aby pomóc w przejściu świata na energię odnawialną, mówi Ulm. Główne źródła energii bez emisji, energia wiatrowa, słoneczna i pływowa, wytwarzają swoją energię w zmiennych momentach, które często nie pokrywają się ze szczytami zużycia energii elektrycznej, więc sposoby magazynowania tej energii są niezbędne. "Istnieje ogromna potrzeba dużej ilości magazynowania energii", mówi on, a istniejące baterie są zbyt drogie i przeważnie polegają na materiałach, takich jak lit, którego dostawy są ograniczone, więc pilnie potrzebne są tańsze alternatywy. "To jest miejsce, gdzie nasza technologia jest niezwykle obiecująca, ponieważ cement jest wszechobecny", mówi Ulm.

 

Zespół obliczył, że blok betonu z domieszką nanocząsteczek czarnego węgla o wielkości 45 metrów sześciennych - równoważny sześcianowi o boku około 3,5 metra - miałby wystarczającą pojemność, aby przechować około 10 kilowatogodzin energii, co uważa się za średnie dzienne zużycie energii elektrycznej w gospodarstwie domowym. Ponieważ beton zachowałby swoją wytrzymałość, dom o fundamencie z tego materiału mógłby przechowywać całość energii wyprodukowanej przez panele słoneczne lub wiatraki w ciągu dnia i pozwalać na jej wykorzystanie w dowolnym momencie. Ponadto, superkondensatory mogą być ładowane i rozładowywane znacznie szybciej niż baterie.

 

Po serii testów mających na celu określenie najskuteczniejszych proporcji cementu, czarnego węgla i wody, zespół zademonstrował proces, tworząc małe superkondensatory, o rozmiarach porównywalnych do niektórych baterii guzikowych, o średnicy około 1 centymetra i grubości 1 milimetra, które każde mogły być ładowane do 1 volta, porównywalnie do baterii 1-voltowej. Następnie połączyli trzy z nich, aby zademonstrować ich zdolność do zasilania diody elektroluminescencyjnej (LED) o napięciu 3 volty. Mając potwierdzenie zasady, planują teraz zbudować serię większych wersji, zaczynając od tych o wielkości typowej 12-woltowej baterii samochodowej, a następnie przechodząc do wersji o objętości 45 metrów sześciennych, aby zademonstrować jej zdolność do przechowywania energii wystarczającej dla domu.

 

Badacze stwierdzili, że istnieje kompromis pomiędzy pojemnością magazynowania materiału a jego wytrzymałością strukturalną. Dodanie większej ilości czarnego węgla pozwala superkondensatorowi przechowywać więcej energii, ale beton staje się nieco słabszy. To może być przydatne w aplikacjach, gdzie beton nie pełni roli strukturalnej lub tam, gdzie pełna wytrzymałość betonu nie jest wymagana. Dla zastosowań takich jak fundament, czy strukturalne elementy bazy turbiny wiatrowej, "idealny punkt" wynosi około 10 procent czarnego węgla w mieszance.

 

Innym potencjalnym zastosowaniem superkondensatorów węglowo-cementowych jest budowa betonowych dróg, które mogłyby magazynować energię produkowaną przez panele słoneczne umieszczone wzdłuż drogi, a następnie dostarczać tę energię pojazdom elektrycznym poruszającym się po drodze, za pomocą tego samego rodzaju technologii stosowanej do bezprzewodowego ładowania telefonów. Podobny typ systemu ładowania samochodów jest już rozwijany przez firmy w Niemczech i Holandii ale z wykorzystaniem standardowych baterii do przechowywania energii.

 

Początkowe zastosowania technologii mogłyby obejmować odizolowane domy, budynki czy schronienia, które są daleko od sieci energetycznej i które mogłyby być zasilane przez panele słoneczne podłączone do superkondensatorów z cementu - mówią naukowcy.

 

Ulm mówi, że system jest bardzo skalowalny, ponieważ pojemność magazynowania energii jest bezpośrednio związana z objętością elektrod. "Możesz przejść od elektrod o grubości 1 milimetra do elektrod o grubości 1 metra, a tym samym w zasadzie możesz skalować pojemność magazynowania energii - od zasilenia diody LED na kilka sekund do zasilania całego domu" - wyjaśnia.

 

W zależności od właściwości pożądanych dla danego zastosowania, system można dostroić, dostosowując mieszankę. Dla drogi ładującej pojazdy, potrzebne byłyby bardzo szybkie tempo ładowania i rozładowania, podczas gdy do zasilania domu "masz cały dzień na naładowanie", więc można by użyć materiału ładującego się wolniej - mówi Ulm.

 

"To naprawdę jest materiał wielofunkcyjny" - dodaje. Oprócz zdolności do magazynowania energii w formie superkondensatorów, ta sama mieszanka betonu może być używana jako system grzewczy, poprzez prostą aplikację prądu do betonu z domieszką węgla.

 

Ulm widzi to jako "nowy sposób patrzenia na przyszłość betonu jako elementu przejścia energetycznego".

 

Zespół badawczy obejmował również doktorantów Nicolasa Chanuta i Damiana Stefaniuka z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiskowej MIT, Jamesa Weavera z Instytutu Wyss, oraz Yunguanga Zhu z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT. Prace były wspierane przez MIT Concrete Sustainability Hub, ze sponsorstwem Concrete Advancement Foundation.

 

Artykuł stanowi nasze tłumaczenie z materiałów MIT.