Energi
Betonkapacitorer: Fremtiden for energilagring
Lagring af energi i betonkapacitorer
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.
I alle tilfælde lagrer disse batterier elektricitet i en kemisk form, typisk ved at bruge metalliske ioner til at bære den elektriske ladningsændring.
Kilde: Let’s Talk Science
Dette er dog ikke den eneste måde, du kan lagre elektricitet på. En anden mulighed er at bruge en superkondensator.
I modsætning til batterier, der lagrer den elektriske ladning i en masse af metalliske ioner, holder superkondensatorer og ultrakondensatorer den elektriske ladning på overfladen af et ledende materiale.
Kilde: Sinovoltaics
Denne grundlæggende forskel i energilagringskonceptet ændrer, hvordan kondensatorer fungerer sammenlignet med batterier. Fordi energien er tilgængelig på materialets overflade, kan den mobiliseres meget hurtigt, hvilket muliggør ultra‑hurtige lade‑ og afladningscyklusser, mens batterier hæmmes af hastigheden af de nødvendige kemiske reaktioner.
Kondensatorer har indtil nu primært været et nicheprodukt, da de holder mindre ladning end batterier og ofte er dyrere, fordi de kræver dyrere materialer.
Dette kan være ved at ændre, med udviklingen af betonbaserede kondensatorer af fire forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), som i sidste ende kunne bruges til at gøre bygninger og veje til gigantiske batterier.
De offentliggjorde deres seneste design i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) under titlen “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.
Anvendelser af kondensatorer
Kondensatorers lave ladning sammenlignet med batterier har indtil nu hæmmet deres brug til stor eller langsigtet energilagring, på trods af deres bemærkelsesværdige holdbarhed.
Deres evne til at håndtere meget hurtige ændringer i elektrisk ladning og meget højere spænding uden at blive beskadiget gør dem nyttige i anvendelser, hvor der på én gang produceres eller kræves meget energi.
For eksempel bruges superkondensatorer i biler, tog, kraner og elevatorer til kortvarig energilagring, regenerativ bremsning eller burst‑mode strømlevering.
Selvom den samlede energi ikke nødvendigvis er så høj, er intensiteten og hastigheden det.
For elnet og energilagringsapplikationer er superkondensatorer mest effektive til at brobygge strømhuller, der varer fra få sekunder til få minutter, og kan hurtigt genoplades.
Forbedring af betonbaserede kondensatorer
Gør beton i stand til at lagre energi
For batterier begrænser energidifferencen mellem de forskellige elektrokemiske reaktioner og mængden af reaktivt metal normalt kapaciteten.
For kondensatorer er den primære begrænsning det samlede overfladeareal af materialet. Så generelt vil de mest porøse materialer bære meget mere ladning.
Af denne grund er heterogene materialer (bestående af flere elementer) ofte de bedste, ligesom ethvert materiale, der er resultatet af polymerisation af enklere materialer med mange porer og alveoler indeni.
Allerede i 2023 havde MIT‑forskerne undersøgt potentialet i beton, et materiale med en kompleks mikroskopisk struktur, som i teorien kunne omdannes til en kondensator.
Dette blev opnået ved at bruge cement, vand, ultrafin kulsort (med nanoskalapartikler) og elektrolytter. Sammen skabte de den såkaldte elektron‑ledende kulbeton (ec³, udtales “e‑c‑cubed”).
ec³ indeholder et “carbon nanonetwork” inde i betonen, som kan lagre og lede elektricitet.
Betonrigdom
Cement og beton er langt de mest producerede materialer på Jorden og når samlede volumener og masse på 1,7 milliarder kubikmeter og 4,1 milliarder ton, højere end noget andet materiale, inklusive sand og stål.
Kilde: Visual Capitalist
Som følge heraf betyder det, at selv at omdanne en meget lille del af verdens beton til energilagring kunne radikalt ændre, hvordan vi lagrer energi i vores hjem, kontorer og byer.
“En nøgle til betons bæredygtighed er udviklingen af ‘multifunktionel beton’, som integrerer funktionaliteter som denne energilagring, self-healing, og carbon sequestration.
Beton er allerede verdens mest anvendte byggemateriale, så hvorfor ikke udnytte den skala til at skabe andre fordele?”
Forbedring af ec³‑præstationer
Forøgelse af energitæthed
Den oprindelige prototype fra 2023 var energitæt nok til, at 45 kubikmeter ec³, omtrent den mængde beton, der bruges i en typisk kælder, var tilstrækkelig til at dække den gennemsnitlige husstands daglige behov.
Selvom det er interessant, gjorde spørgsmål om omkostninger og praktisk anvendelse dette tal ikke rigtig kommercielt anvendeligt.
Forskerne har i de nye versioner af produktet gjort det muligt at lagre den samme mængde energi i 1/9th af volumenet, eller kun 5 kubikmeter (176 kubikfod).
Swipe for at rulle →
| Teknologi | Energitethed | Lade-/afladningshastighed | Levetid | Nøglematerialer |
|---|---|---|---|---|
| Lithium-ion Battery | 150–250 Wh/kg | Minutes–hours | ~2,000 cycles | Lithium, cobalt, nickel |
| Supercapacitor | 5–10 Wh/kg | Seconds | >1,000,000 cycles | Activated carbon |
| Concrete Capacitor (ec³) | ~50 Wh/kg (projected) | Seconds–minutes | >100,000 cycles | Cement, carbon black, electrolyte |
Dybtgående analyse
Denne højere ydeevne blev opnået ved at bruge en fokuseret ionstråle til sekventielt at fjerne tynde lag af ec³‑materialet. Disse lag blev derefter analyseret med et scanning‑elektronmikroskop (FIB‑SEM‑tomografi).
Dette gjorde det muligt for forskerne at rekonstruere et højopløsningsbillede af det ledende nanonetwork. De opdagede, at det danner et “fraktal‑lignende netværk”, der omgiver ec³‑porerne, hvilket tillader elektrolytten at trænge ind og strømmen at flyde gennem systemet.
Med dette overlegne analytiske værktøj gik forskerholdet videre med at eksperimentere med forskellige elektrolytter og deres koncentrationer for at se, hvordan de påvirkede energilagringstæthed.
“Vi fandt, at der er et bredt udvalg af elektrolytter, som kunne være levedygtige kandidater til ec³.
Dette inkluderer endda havvand, hvilket kunne gøre dette til et godt materiale til brug i kyst‑ og marineapplikationer, måske som understøttelsesstrukturer for offshore‑vindmølleparker.”
De målte, at organiske elektrolytter, især dem der kombinerede kvartære ammoniumsalte fundet i hverdagsprodukter som desinfektionsmidler, præsterede bedst, når de blev blandet med acetonitril, en klar, ledende væske, der ofte anvendes i industrien.
Bedre fremstilling af betonbatterier
Tidligere skulle den anvendte metode først hærde ec³‑elektroderne og derefter suge dem i elektrolyt. I stedet opdagede de, at de kunne tilsætte elektrolytten direkte til blandevandet.
Dette var essentielt for at støbe tykkere elektroder, der lagrede mere energi.
Som en demonstration af denne teknologi byggede holdet en miniature ec³‑betonbue for at vise, hvordan strukturel form og energilagring kan arbejde sammen.
Den fungerede ved 9 volt, og buen understøttede sin egen vægt samt ekstra belastning, mens den drev en LED‑lampe.
Automatisk overvågning af strukturel integritet
Et overraskende fænomen opstod, da de øgede ladningen på testbuen. På et tidspunkt begyndte lyset at blinke, hvilket afspejlede, at betonen begyndte at blive beskadiget, og energilagringen svigtede.
Dette gør strukturel skade synlig, selv uden synlige revner. En sådan kapacitet kunne være meget nyttig i bygninger i den virkelige verden.
“Der kan være en form for selv‑overvågningskapacitet her. Hvis vi forestiller os en ec³‑bue i arkitektonisk skala, kan dens output variere, når den påvirkes af en stressfaktor som kraftig vind.
Vi kan muligvis bruge dette som et signal for, hvornår og i hvilken grad en struktur er belastet, eller overvåge dens samlede sundhed i realtid.”
Selvvarmende beton
Dette betondesign kan ikke kun lagre strøm, men har også højere termisk ledningsevne. Som følge heraf kan det hjælpe med at smelte is, der er aflejret på overfladen, og er allerede blevet brugt til dette formål i Sapporo, Japan, hvilket udgør et potentielt alternativ til saltning.
Energi, der lagres og derefter realiseres som varme, kan også bruges til at smelte is på veje, fortove og gangstier.
Fremtiden for betonbatterier og energilagring
Indtil nu har utility‑scale batterier primært været forestillet som varmbatterier, hydrogenlagring eller batterier, der bruger lavprismaterialer som natrium, jern eller aluminium, for at erstatte de dyrere lithium/cobalt/nickel‑materialer i lithium‑ion‑batterier.
Men hvis vi skal skalere batterilagring op for fuldt ud at kunne forsyne den industrialiserede civilisation med solenergi, kunne et mere udbredt materiale som beton være ideelt.
For det første bruger det endnu færre sjældne materialer, da selv alternative kemibatterier stadig kræver store mængder kobber, for eksempel.
For det andet kunne det også integreres mere problemfrit i hverdags‑urbane landskaber og konstruktioner.
Holdet arbejder allerede på anvendelser som parkeringspladser og veje, der kan oplade el‑biler, samt hjem, der kan fungere fuldstændigt off‑grid.
Da den resulterende beton har samme strukturelle integritet som normal beton, kan det give mening blot at bruge den i stedet og fuldstændigt omgå behovet for ekstra plads og byggeprocedurer for batteriparker.
“Ved at kombinere moderne nanovidenskab med en ældgammel byggesten i civilisationen, åbner vi en dør til infrastruktur, der ikke kun understøtter vores liv, men også driver dem.”
Investering i bæredygtigt cement
CRH Plc
(CRH )
