المكثفات الخرسانية: مستقبل تخزين الطاقة

تخزين الطاقة في المكثفات الخرسانية

When it comes to energy storage, all the attention is concentrated on batteries. While for a time it was mostly on ever-improving lithium-ion technology, now sodium-ion, solid-state, and other types of alternative battery chemistries are also being developed or reaching the commercial stage.

في جميع الحالات، تخزن هذه البطاريات الكهرباء في شكل كيميائي، عادةً باستخدام أيونات معدنية لنقل شحنة الكهرباء.

المصدر:  Let’s Talk Science

ومع ذلك، ليست هذه هي الطريقة الوحيدة لتخزين الكهرباء. خيار آخر هو استخدام المكثف الفائق.

على عكس البطاريات التي تخزن الشحنة الكهربائية في كتلة من الأيونات المعدنية، تحتفظ المكثفات الفائقة والماكرو مكثفات بالشحنة الكهربائية على سطح مادة موصلة.

المصدر: Sinovoltaics

هذا الاختلاف الأساسي في مفهوم تخزين الطاقة يغير طريقة عمل المكثفات مقارنةً بالبطاريات. لأن الطاقة متاحة على سطح المادة، يمكن تحريكها بسرعة كبيرة، مما يسمح بدورات شحن وتفريغ فائقة السرعة، بينما تتباطأ البطاريات بسبب سرعة التفاعلات الكيميائية المطلوبة.

حتى الآن، كانت المكثفات في الغالب منتجًا متخصصًا، حيث تحتفظ بشحنة أقل من البطاريات، وغالبًا ما تكون أكثر تكلفة لأنها تتطلب موادًا أغلى.

قد يتغير هذا مع تطوير مكثفات قائمة على الخرسانة من قبل أربعة باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، والتي قد تُستخدم في النهاية لتحويل المباني والطرق إلى بطاريات ضخمة.

نشروا تصميمهم الأخير في المجلة العلمية المرموقة Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) تحت عنوان “مكثفات فائقية من الكربون والاسمنت ذات كثافة طاقة عالية لتخزين الطاقة المعمارية”.

تطبيقات المكثفات

Capacitors’ low charge compared to batteries has so far hindered their usage for large or long-term energy storage, despite their remarkable durability.

ومع ذلك، فإن قدرتها على التعامل مع تغيرات سريعة جدًا في الشحنة الكهربائية وفولتية أعلى بكثير، دون أي ضرر، تجعلها مفيدة للتطبيقات التي يتم فيها إنتاج أو طلب كمية كبيرة من الطاقة في آن واحد.

على سبيل المثال، تُستخدم المكثفات الفائقة في السيارات والقطارات والرافعات والمصاعد، لتخزين الطاقة على المدى القصير، أو الكبح المتجدد، أو توصيل الطاقة في وضع الانفجار.

في حين أن إجمالي الطاقة قد لا يكون عاليًا بالضرورة، فإن الكثافة والسرعة تكونان كذلك.

في تطبيقات شبكات الطاقة وتخزين الطاقة، تكون المكثفات الفائقة أكثر فاعلية في سد الفجوات الكهربائية التي تستمر من بضع ثوانٍ إلى بضع دقائق ويمكن شحنها بسرعة.

تحسين المكثفات القائمة على الخرسانة

جعل الخرسانة تخزن الطاقة

For batteries, the energy differential between the different electrochemical reactions and the amount of reactive metal available usually limits capacity.

بالنسبة للمكثفات، القيد الرئيسي هو إجمالي سطح المادة. لذا عادةً ما تحمل المواد الأكثر مسامية شحنة أكبر بكثير.

لهذا السبب، غالبًا ما تكون المواد غير المتجانسة (المصنوعة من عدة عناصر) هي الأفضل، وكذلك أي مادة ناتجة عن بلمرة مواد أبسط، وتحتوي على العديد من المسام والحويصلات داخلها.

في عام 2023 بالفعل، استكشف باحثو MIT إمكانات الخرسانة، وهي مادة ذات بنية مجهرية معقدة يمكنها، نظريًا، تحويلها إلى مكثف.

تم تحقيق ذلك باستخدام الأسمنت، الماء، الكربون الأسود فائق الدقة (بجسيمات نانوية)، والالكتروليتات. معًا، أنشأوا ما يُسمى الخرسانة الكربونية الناقلة للإلكترونات (ec³، تُنطق “e-c-cubed”).

تحتوي ec³ على “شبكة نانوية من الكربون” داخل الخرسانة يمكنها تخزين وتوصيل الكهرباء.

وفرة الخرسانة

Cement and concrete are by far the most produced materials on Earth, reaching total volumes and mass of 1.7 billion cubic meters and 4.1 billion tons, higher than any other material, including sand and steel.

المصدر: Visual Capitalist

وبالتالي، يعني ذلك أن تحويل حتى نسبة صغيرة جدًا من خرسانة العالم إلى تخزين الطاقة قد يغيّر جذريًا طريقة تخزيننا للطاقة في منازلنا ومكاتبنا ومدننا.

“أحد المفاتيح لاستدامة الخرسانة هو تطوير “الخرسانة متعددة الوظائف”، التي تدمج وظائف مثل تخزين الطاقة هذا، الشفاء الذاتي، واحتجاز الكربون.

الخرسانة هي بالفعل أكثر مواد البناء استخدامًا في العالم، فلماذا لا نستفيد من هذا الحجم لخلق فوائد أخرى؟”

Admir Masic – أستاذ مشارك في الهندسة المدنية والبيئية (CEE) في MIT.

تحسين أداء ec³

زيادة كثافة الطاقة

The original 2023 prototype was energy-dense enough so that 45 cubic meters of ec³, roughly the amount of concrete used in a typical basement, was enough to meet the daily needs of the average home.

على الرغم من ذلك، فإن أسئلة التكلفة والعملية جعلت هذا الرقم غير قابل للاستخدام التجاري فعليًا.

The researchers’ new versions of the product can store the same amount of energy in 1/9^th the volume, or only 5 cubic meters (176 cubic feet).

اسحب للتمرير →

تحليل متعمق

This higher performance was achieved through using a focused ion beam to remove sequentially thin layers of the ec³ material. These layers were then analyzed with a scanning electron microscope (FIB-SEM tomography).

سمح ذلك للباحثين بإعادة بناء صورة عالية الدقة للشبكة النانوية الناقلة. اكتشفوا أنها تشكل “شبكة شبيهة بالفراكتال” تحيط بمسام ec³، وهو ما يسمح للالكتروليت بالتسلل وتدفق التيار عبر النظام.

باستخدام هذه الأداة التحليلية المتفوقة، واصل فريق البحث تجربة إلكتروليتات مختلفة وتركيزاتها لمعرفة كيف تؤثر على كثافة تخزين الطاقة.

“وجدنا أن هناك مجموعة واسعة من الإلكتروليتات التي يمكن أن تكون مرشحات صالحة لـ ec³.

وهذا يشمل حتى مياه البحر، مما قد يجعل هذه المادة مناسبة للاستخدام في التطبيقات الساحلية والبحرية، ربما كهياكل دعم لمزارع الرياح البحرية.”

Damian Stefaniuk – عالم أبحاث في EC³ Hub

قاسوا أن الإلكتروليتات العضوية، خاصة تلك التي تجمع أملاح الأمونيوم الرباعية الموجودة في منتجات يومية مثل المطهرات، أدت أفضل أداء عندما تم خلطها مع الأسيتونيتريل، سائل شفاف موصل يُستخدم غالبًا في الصناعة.

تحسين تصنيع بطاريات الخرسانة

Previously, the method used had to cure the ec³ electrodes and then soak them in electrolyte. Instead, they discovered they could add the electrolyte directly to the mixing water.

كان هذا ضروريًا في صب أقطاب أكثر سمكًا تخزن طاقة أكبر.

كعرض توضيحي لهذه التقنية، بنى الفريق قوسًا صغيرًا من خرسانة ec³ لإظهار كيف يمكن للهيكل البنائي وتخزين الطاقة أن يعملان معًا.

بجهد 9 فولت، دعم القوس وزنه الخاص وحملًا إضافيًا بينما كان يزوّد ضوء LED بالطاقة.

المراقبة التلقائية لسلامة الهيكل

A surprising phenomenon occurred when they increased the charge on the test arch. At some point, the light started to flicker, reflecting the concrete starting to damage and the electricity storage failing.

هذا يكشف عن ضرر هيكلي واضح رغم عدم وجود شقوق مرئية. مثل هذه القدرة قد تكون مفيدة جدًا في المباني الواقعية.

“قد تكون هناك قدرة على المراقبة الذاتية هنا. إذا فكرنا في قوس ec³ على نطاق معماري، قد يتقلب خروجه عندما يتعرض لعامل إجهاد مثل الرياح الشديدة.

قد نتمكن من استخدام ذلك كإشارة لمتى وإلى أي مدى يتعرض الهيكل للإجهاد، أو مراقبة صحته العامة في الوقت الحقيقي.”

Admir Masic – أستاذ مشارك في الهندسة المدنية والبيئية (CEE) في MIT.

خرسانة ذات تدفئة ذاتية

This concrete design not only can store power, but also has higher thermal conductivity. As a result, it can help melt ice deposited on it, and has already been used for that purpose in Sapporo, Japan, representing a potential alternative to salting.

يمكن أيضًا استخدام الطاقة المخزنة والتي تتحول إلى حرارة لذوبان الجليد على الطرق والأرصفة ومسارات المشي.

مستقبل بطاريات الخرسانة وتخزين الطاقة

So far, utility-scale batteries have been mostly imagined as heat batteries, hydrogen storage, or batteries using low-cost materials like sodium, iron, or aluminum, to replace the more expensive lithium/cobalt/nickel of lithium-ion batteries.

ومع ذلك، إذا كنا نريد توسيع تخزين البطاريات لتزويد الحضارة الصناعية بالكامل بالطاقة الشمسية، قد تكون مادة أكثر شيوعًا مثل الخرسانة مثالية.

أولاً، تستخدم مواد أقل ندرة، حيث أن حتى بطاريات الكيمياء البديلة لا تزال تحتاج إلى الكثير من النحاس، على سبيل المثال.

ثانيًا، يمكن دمجها بسهولة أكبر في المشاهد الحضرية اليومية والبناء.

الفريق يعمل بالفعل على تطبيقات مثل مساحات parking spaces والطرق التي يمكنها شحن المركبات الكهربائية، وكذلك المنازل التي يمكنها العمل بالكامل خارج الشبكة.

نظرًا لأن الخرسانة الناتجة لها نفس المتانة الهيكلية كالخرسانة العادية، قد يكون من المنطقي استخدامها بدلاً من ذلك، وتجاوز تمامًا الحاجة إلى مساحة إضافية وإجراءات بناء حدائق البطاريات.

“من خلال دمج علم النانو الحديث مع حجر بناء قديم للحضارة، نفتح بابًا للبنية التحتية التي لا تدعم حياتنا فحسب، بل تزودها بالطاقة.”

Admir Masic – أستاذ مشارك في الهندسة المدنية والبيئية (CEE) في MIT.

الاستثمار في الأسمنت المستدام