Energie
Betonkondensatoren: Die Zukunft der Energiespeicherung
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Energie in Betonkondensatoren speichern
Beim Thema Energiespeicherung richtet sich die Aufmerksamkeit fast vollständig auf Batterien. Lange stand die stetig verbesserte Lithium-Ionen-Technik im Mittelpunkt; inzwischen werden auch Natrium-Ionen-, Festkörper- und weitere alternative Batteriechemien entwickelt oder kommerzialisiert.
All diese Batterien speichern Strom in chemischer Form und nutzen meist Metallionen zum Transport der elektrischen Ladung.
Quelle: Let’s Talk Science
Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, Strom zu speichern. Eine weitere Option ist ein Superkondensator.
Während Batterien Ladung in einer Masse aus Metallionen speichern, halten Super- und Ultrakondensatoren die elektrische Ladung an der Oberfläche eines leitfähigen Materials.
Quelle: Sinovoltaics
Dieser grundlegende Unterschied verändert die Funktionsweise. Da die Energie an der Materialoberfläche verfügbar ist, kann sie sehr schnell mobilisiert werden. Dadurch sind extrem schnelle Lade- und Entladezyklen möglich, während Batterien durch die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen begrenzt werden.
Kondensatoren sind bislang meist Nischenprodukte, weil sie weniger Ladung als Batterien speichern und wegen teurerer Materialien häufig mehr kosten.
Das könnte sich durch Betonkondensatoren ändern, die vier MIT-Forscher entwickelt haben. Mit ihnen ließen sich Gebäude und Straßen langfristig in riesige Batterien verwandeln.
Das neue Design erschien in PNAS unter dem Titel „Kohlenstoff-Zement-Superkondensatoren mit hoher Energiedichte für die Energiespeicherung in Gebäuden“.
Anwendungen von Kondensatoren
Die im Vergleich zu Batterien geringe Ladungsmenge hat den Einsatz von Kondensatoren für große oder langfristige Speicher trotz ihrer hohen Lebensdauer bisher eingeschränkt.
Sehr schnelle Ladungsänderungen und deutlich höhere Spannungen überstehen sie dagegen ohne Schaden. Deshalb eignen sie sich, wenn viel Energie gleichzeitig erzeugt oder benötigt wird.
Superkondensatoren kommen etwa in Autos, Zügen, Kränen und Aufzügen für kurzfristige Speicherung, regeneratives Bremsen oder Leistungsspitzen zum Einsatz.
Die gesamte Energiemenge ist nicht unbedingt hoch, wohl aber Intensität und Geschwindigkeit.
In Stromnetzen überbrücken Superkondensatoren besonders wirksam Leistungslücken von wenigen Sekunden bis Minuten und lassen sich schnell wieder aufladen.
Betonbasierte Kondensatoren verbessern
Beton als Energiespeicher
Bei Batterien begrenzen meist die Energiedifferenz zwischen elektrochemischen Reaktionen und die verfügbare Menge reaktiven Metalls die Kapazität.
Bei Kondensatoren ist die gesamte Materialoberfläche entscheidend. Besonders poröse Materialien können daher wesentlich mehr Ladung aufnehmen.
Heterogene Materialien aus mehreren Bestandteilen sowie polymerisierte Werkstoffe mit vielen Poren und Hohlräumen eignen sich deshalb häufig am besten.
Schon 2023 untersuchten MIT-Forscher Beton, dessen komplexe mikroskopische Struktur sich theoretisch in einen Kondensator verwandeln lässt.
Sie kombinierten Zement, Wasser, ultrafeinen Ruß und Elektrolyte zu elektronenleitendem Kohlenstoffbeton, kurz ec³.
Ec³ enthält im Beton ein Kohlenstoff-Nanonetzwerk, das Strom speichern und leiten kann.
Beton im Überfluss
Zement und Beton sind mit 1,7 Milliarden Kubikmetern beziehungsweise 4,1 Milliarden Tonnen die meistproduzierten Materialien der Erde und übertreffen sogar Sand und Stahl.
Quelle: Visual Capitalist
Schon ein sehr kleiner Anteil des weltweiten Betons als Energiespeicher könnte die Speicherung in Häusern, Büros und Städten grundlegend verändern.
„Ein Schlüssel zu nachhaltigem Beton ist multifunktionaler Beton, der Energiespeicherung mit Funktionen wie Selbstheilung und Kohlenstoffbindung verbindet.
Beton ist bereits der weltweit meistgenutzte Baustoff. Warum sollten wir diese Größenordnung nicht für weitere Vorteile nutzen?“
Admir Masic – außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT
Die Leistung von ec³ verbessern
Die Energiedichte erhöhen
Beim Prototyp von 2023 genügten 45 Kubikmeter ec³, ungefähr die Betonmenge eines üblichen Kellers, um den täglichen Bedarf eines durchschnittlichen Haushalts zu decken.
Das war interessant, wegen Kosten und praktischer Fragen aber kaum kommerziell nutzbar.
Die neuen Versionen speichern dieselbe Energiemenge in einem Neuntel des Volumens, also nur fünf Kubikmetern.
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| Technologie | Energiedichte | Lade-/Entladegeschwindigkeit | Lebensdauer | Schlüsselmaterialien |
|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ionen-Batterie | 150–250 Wh/kg | Minuten bis Stunden | etwa 2.000 Zyklen | Lithium, Kobalt, Nickel |
| Superkondensator | 5–10 Wh/kg | Sekunden | mehr als 1.000.000 Zyklen | Aktivkohle |
| Betonkondensator (ec³) | etwa 50 Wh/kg (Prognose) | Sekunden bis Minuten | mehr als 100.000 Zyklen | Zement, Ruß, Elektrolyt |
Detaillierte Analyse
Die höhere Leistung wurde erreicht, indem ein fokussierter Ionenstrahl nacheinander dünne ec³-Schichten entfernte. Anschließend wurden sie mit Rasterelektronenmikroskopie und FIB-SEM-Tomografie untersucht.
So rekonstruierten die Forscher ein hochauflösendes Bild des leitfähigen Nanonetzwerks. Es bildet ein fraktalähnliches Geflecht um die ec³-Poren, in das Elektrolyt eindringen kann und durch das Strom fließt.
Mit diesem Analysewerkzeug testete das Team verschiedene Elektrolyte und Konzentrationen auf ihre Wirkung auf die Speicherdichte.
„Wir stellten fest, dass viele verschiedene Elektrolyte für ec³ infrage kommen.
Dazu gehört sogar Meerwasser. Das Material könnte sich daher für Küsten- und Meeresanwendungen eignen, etwa als Tragstruktur von Offshore-Windparks.“
Organische Elektrolyte mit quartären Ammoniumsalzen, wie sie auch in Desinfektionsmitteln vorkommen, lieferten mit Acetonitril die besten Ergebnisse. Acetonitril ist eine klare leitfähige Industrieflüssigkeit.
Betonbatterien besser herstellen
Beim bisherigen Verfahren mussten ec³-Elektroden aushärten und anschließend in Elektrolyt getränkt werden. Nun zeigte sich, dass sich der Elektrolyt direkt dem Mischwasser zugeben lässt.
Dies war entscheidend, um dickere Elektroden mit höherer Speicherkapazität zu gießen.
Zur Demonstration baute das Team einen kleinen ec³-Betonbogen, der zeigt, wie Tragwerk und Energiespeicherung zusammenwirken.
Bei neun Volt trug der Bogen sein eigenes Gewicht und zusätzliche Last, während er eine LED-Leuchte versorgte.
Automatische Überwachung der strukturellen Integrität
Als die Ladung des Testbogens erhöht wurde, begann die Leuchte überraschend zu flackern. Dies zeigte, dass der Beton Schaden nahm und die Speicherfunktion nachließ.
Strukturelle Schäden werden damit erkennbar, bevor sichtbare Risse entstehen—eine potenziell sehr nützliche Funktion für Gebäude.
„Hier könnte eine Art Selbstüberwachung möglich sein. Bei einem ec³-Bogen im Gebäudemaßstab könnte die Leistung unter Belastungen wie starkem Wind schwanken.
Das Signal könnte anzeigen, wann und wie stark eine Struktur belastet wird, oder ihren Gesamtzustand in Echtzeit überwachen.“
Admir Masic – außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT
Selbsterwärmender Beton
Dieser Beton speichert nicht nur Strom, sondern leitet Wärme auch besser. Er kann Eis schmelzen und wurde in Sapporo bereits als mögliche Alternative zu Streusalz eingesetzt.
Gespeicherte und als Wärme freigesetzte Energie könnte außerdem Straßen, Gehwege und Fußpfade enteisen.
Die Zukunft von Betonbatterien und Energiespeicherung
Netzspeicher wurden bislang vor allem als Wärmespeicher, Wasserstoff oder Batterien mit günstigen Materialien wie Natrium, Eisen und Aluminium anstelle von Lithium, Kobalt und Nickel gedacht.
Soll die Speicherung jedoch so weit wachsen, dass eine Industriezivilisation vollständig mit Solarenergie versorgt wird, könnte ein allgegenwärtiger Werkstoff wie Beton ideal sein.
Er benötigt noch weniger seltene Materialien, während selbst alternative Batteriechemien etwa große Mengen Kupfer brauchen.
Zudem lässt sich Beton wesentlich nahtloser in alltägliche Stadtlandschaften und Bauwerke integrieren.
Das Team arbeitet bereits an Parkplätzen und Straßen, die Elektrofahrzeuge laden, sowie an vollständig netzunabhängigen Häusern.
Da der Beton dieselbe strukturelle Integrität wie normaler Beton besitzt, könnte er diesen direkt ersetzen und zusätzlichen Platz sowie Bauarbeiten für Batterieparks vermeiden.
„Indem wir moderne Nanowissenschaft mit einem uralten Baustein der Zivilisation verbinden, öffnen wir die Tür zu Infrastruktur, die unser Leben nicht nur trägt, sondern mit Energie versorgt.“
Admir Masic – außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT
In nachhaltigen Zement investieren
CRH Preisdiagramm
Als einer der weltweit führenden Zementhersteller wird CRH beim Umbau der Bauindustrie eine wichtige Rolle spielen. Beim Gesamtvolumen gelieferter Baustoffe liegt das Unternehmen in den USA und Europa an erster Stelle.
CRH ist in 28 Ländern an 3.390 Standorten tätig und beschäftigt 78.500 Menschen. CRH Americas erzielt 65 % des weltweiten Umsatzes.
Quelle: CRH
Das Unternehmen erwartet Wachstum durch hohe Infrastrukturausgaben westlicher Regierungen. Auch Reindustrialisierung und die Rückverlagerung der Hightech-Produktion dürften helfen.
CRHs Nachhaltigkeits- und Dekarbonisierungsstrategie
CRH hat mit mehreren Initiativen erhebliche Fortschritte bei der Nachhaltigkeit erzielt:
- Als größter Recycler Nordamerikas verarbeitete das Unternehmen 2023 43,9 Millionen Tonnen Abfälle und industrielle Nebenprodukte.
- Die CO2-Emissionen sanken 2023 um 8 %, auch weil die Zementwerke zu 36 % alternative Brennstoffe einsetzten.
- Bis 2030 sollen die Emissionen gegenüber 2021 um 30 % sinken.
Das ist lobenswert, kann aber als zu wenig und zu spät gelten.
CRH treibt zugleich grundlegendere Veränderungen voran. Gemeinsam mit Holcim investierte es 75 Millionen Dollar in den CO2-armen Zementhersteller Sublime.
Sublime Systems wurde 2020 aus dem MIT ausgegründet. Ein Elektrolyseur produziert Zement bei Umgebungstemperatur und ersetzt energie- und fossilintensive Öfen. Andere Kalziumquellen verhindern zudem CO2 aus Kalkstein.
Die erste kommerzielle Anlage in Holyoke, Massachusetts, könnte bereits 2026 eröffnen. Bei Erfolg könnte sie die Branche verändern und skalierbaren emissionsarmen Beton ermöglichen.
„Sublime verändert die Zementherstellung grundlegend. Die Technik erfasst den gesamten Prozess von sauberem Strom bis zu CO2-freien Rohstoffen. Wir freuen uns über das Potenzial und die gemeinsame Skalierung. Die Investition entspricht vollständig Holcims Strategie, die Dekarbonisierung des Bauens mit innovativen Technologien zu beschleunigen.“
Nollaig Forrest – Chief Sustainability Officer von Holcim
CRH investierte außerdem in weitere Start-ups für Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit:
- 23,7 Millionen Euro in Cool Planet Technologies, das CO2-Abscheidung für schwer dekarbonisierbare Industrien entwickelt.
- 34,7 Millionen Dollar von CRH und weiteren Investoren in Carbon Upcycling Technologies, dessen elektrische Mineralisierung CO2 dauerhaft in industriellen Nebenprodukten und Mineralien bindet.
- AICrete, eine Plattform für „Rezept als Dienstleistung“, die lokale Materialien optimiert und mithilfe von KI Zementmenge, CO2-Fußabdruck und Kosten senkt.
- Die Series-B-Finanzierung von FIDO AI, das mit KI Wasserverbrauch senkt und Einsparungen erhöht.
CRH ist insgesamt ein profitabler Branchenführer, der die Dekarbonisierung sowohl in bestehenden Anlagen als auch durch Kapital für Start-ups mit der nächsten Generation der Zement- und Betontechnik aktiv vorbereitet.
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