Nowatorska technologia, opisana w magazynie PNAS przez profesorów MIT Franza-Josefa Ulma, Admira Masica i Yang-Shao Horna oraz inne uczonych z MIT i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, ma być odpowiedzią na rosnące zapotrzebowanie na technologie magazynowania energii w dobie dynamicznej transformacji energetycznej. W skrócie: celem tych badań było znalezienie ekonomicznej alternatywy dla dostępnych na rynku rozwiązań do przechowywania energii.

Zastosowanie kondensatora zbudowanego z cementu, sadzy i wody miałoby potencjał dostarczenia niedrogiego mechanizmu przechowywania energii wytworzonej ze źródeł odnawialnych. To ma stanowić odpowiedź na wyzwanie dostępu do stabilnego źródła energii oraz możliwość entuzjastycznego odciążenia systemu energetycznego.

Co więcej, zespół naukowców z MIT, odpowiedzialny za opracowanie tej technologii, sugeruje, że ich superkondensator mógłby stanowić fundament budynku z betonu. Taki system magazynowania energii mógłby gromadzić energię przez cały dzień. Wykorzystanie tych komponentów do budowy podstawy domu nie wpływa na ogólny koszt budowy, zachowując jednocześnie niezbędną wytrzymałość konstrukcyjną. Naukowcy są przekonani, że ta technologia jest również stosowalna w konstrukcji betonowych dróg, które umożliwiłyby ładowanie samochodów elektrycznych przez indukcję podczas jazdy.

Jak działa nowatorski magazyn energii?

Kondensatory stanowią zasadniczo proste urządzenia, składające się z dwóch przewodzących prąd elektryczny płyt umieszczonych w elektrolicie i rozdzielonych membraną. Gdy przyłożone zostaje napięcie do kondensatora, dodatnie jony z elektrolitu skupiają się na ujemnie naładowanej płycie. Równocześnie dodatnio naładowana płyta przyciąga jony o ładunku ujemnym. Dzięki membranie, która blokuje ruch naładowanych jonów między płytami, te oddzielone ładunki tworzą pole elektryczne między płytami, powodując naładowanie kondensatora. Obydwie płytki potrafią utrzymać ładunek przez długi czas i uwolnić go bardzo szybko w razie potrzeby. Termin "superkondensatory" odnosi się do kondensatorów zdolnych do przechowywania ogromnych ładunków.

Moc magazynowania energii przez kondensator zależy przede wszystkim od całkowitej powierzchni jego przewodzących płyt. Kluczowym elementem funkcjonowania superkondensatorów stworzonych przez zespół z MIT jest technologia produkcji materiału opartego na cementowym podłożu o niezwykłej porowatości, co umożliwia gęstą sieć połączeń wewnątrz tego przewodzącego materiału.

Naukowcy osiągnęli to, wykorzystując sadzę jako składnik mieszanki betonowej wraz z wodą. Sadza, będąca materiałem wysoce przewodzącym, jest wprowadzana do betonu w połączeniu z wodą. Woda naturalnie wypełnia strukturę betonu, a węgiel z sadzy migruje do tych przestrzeni, tworząc w stwardniałym cemencie struktury przypominające druty. Te struktury przybierają kształt fraktali, gdzie większe gałęzie wyrastają z mniejszych gałęzi. To tworzy nieskończoną sieć połączeń w stosunkowo małej przestrzeni betonu. Materiał jest następnie zanurzany w elektrolicie, takim jak chlorek potasu, który dostarcza naładowane jony gromadzące się w strukturach węglowych. Dwie elektrody wykonane z tego materiału, oddzielone cienką przestrzenią lub warstwą izolującą, tworzą mocny superkondensator.

Dwie warstwy kondensatora działają jak bieguny akumulatora o równoważnym napięciu. Po podłączeniu kondensatora do źródła energii, jony gromadzą się na jego warstwach. Po naładowaniu kondensatora zgromadzony ładunek przepływa między warstwami, dostarczając energię do instalacji elektrycznej domu. Proces ten można wielokrotnie powtarzać poprzez ładowanie i rozładowywanie kondensatora.

Zastosowanie starożytnych metod a nowoczesne podejście do energetyki

Tego typu magazyn energii wykorzystuje starożytne metody tworzenia ścian i fundamentów budynków, co dodatkowo zwiększa jej atrakcyjność dla naukowców. Proces ten polega na stopniowym wchłanianiu wody w czasie twardnienia cementu. To z kolei ma wpływ na nanocząsteczki węgla, które tworzą sieć przewodzącą prąd elektryczny. Proces ten jest prosty do odtworzenia w różnych warunkach, a używane materiały są niedrogie i dostępne globalnie. Węgiel stanowi zaledwie 3% objętości mieszanki, co czyni go bardzo oszczędnym w użyciu.

Zespół naukowców przewiduje, że blok betonu o objętości 45 m³, domieszkowany nanowęglem, mógłby pomieścić około 10 kWh energii elektrycznej. Można to więc porównać do średniego dziennego zużycia energii elektrycznej w przeciętnym gospodarstwie domowym. Materiał taki zachowałby swoją wytrzymałość, co oznaczałoby, że budynek oparty na tym betonie mógłby przechowywać całą wyprodukowaną energię z paneli fotowoltaicznych lub małej elektrowni wiatrowej, dając możliwość jej użycia w dowolnym momencie. Dodatkowo superkondensatory są znacznie szybsze w procesie ładowania i rozładowywania w porównaniu do konwencjonalnych akumulatorów.

• Zobacz również: Turbina wiatrowa jako źródło ciepła? To możliwe!

Rola nanowęgla w procesie magazynowania

Odkryto również, że istnieje równowaga między pojemnością magazynową materiału a jego wytrzymałością strukturalną. Dodatkowy nanowęgiel pozwala na większą pojemność magazynową, ale może wpłynąć na wytrzymałość betonu. Taki kompromis może być użyteczny w przypadkach, gdzie beton nie ma funkcji strukturalnej lub nie wymaga pełnej wytrzymałości. Badania wykazały, że proporcja około 10% nanowęgla w mieszance jest optymalna dla zastosowań takich jak fundamenty czy elementy konstrukcyjne turbin wiatrowych.

Początkowe zastosowania tej technologii mogą obejmować izolowane domy, budynki lub schroniska pozbawione dostępu do sieci energetycznej. Takie miejsca mogłyby być zasilane za pomocą paneli słonecznych, które byłyby połączone z cementowymi superkondensatorami. Skalowanie systemu jest proste, ponieważ pojemność magazynowania energii zależy od objętości elektrod. Działa to w zakresie od diod LED po zasilanie całego domu. W zależności od potrzeb, skład mieszanki może być dostosowany, aby osiągnąć właściwości pożądane w konkretnym zastosowaniu.

Źródło: MIT news.