Συμπυκνωτές Σκυροδέματος: Το Μέλλον της Αποθήκευσης Ενέργειας

Αποθήκευση Ενέργειας σε Συμπυκνωτές Σκυροδέματος

Όσον αφορά την αποθήκευση ενέργειας, όλη η προσοχή επικεντρώνεται στις μπαταρίες. Για ένα διάστημα το ενδιαφέρον στρεφόταν κυρίως στη διαρκώς βελτιούμενη τεχνολογία ιόντων λιθίου, ενώ σήμερα αναπτύσσονται ή φτάνουν στο εμπορικό στάδιο μπαταρίες ιόντων νατρίου, στερεάς κατάστασης και άλλες εναλλακτικές χημικές συνθέσεις.

Σε όλες τις περιπτώσεις, οι μπαταρίες αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική μορφή, συνήθως χρησιμοποιώντας μεταλλικά ιόντα για τη μεταφορά του ηλεκτρικού φορτίου.

Ωστόσο, αυτός δεν είναι ο μόνος τρόπος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Μια άλλη επιλογή είναι η χρήση υπερπυκνωτή.

Σε αντίθεση με τις μπαταρίες, που αποθηκεύουν το ηλεκτρικό φορτίο σε μια μάζα μεταλλικών ιόντων, οι υπερπυκνωτές και οι πυκνωτές πολύ υψηλής χωρητικότητας συγκρατούν το φορτίο στην επιφάνεια ενός αγώγιμου υλικού.

Αυτή η θεμελιώδης διαφορά στην αποθήκευση ενέργειας αλλάζει τον τρόπο λειτουργίας των πυκνωτών σε σύγκριση με τις μπαταρίες. Επειδή η ενέργεια είναι διαθέσιμη στην επιφάνεια του υλικού, μπορεί να κινητοποιηθεί πολύ γρήγορα, επιτρέποντας εξαιρετικά ταχείς κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, ενώ οι μπαταρίες περιορίζονται από την ταχύτητα των απαραίτητων χημικών αντιδράσεων.

Μέχρι σήμερα, οι πυκνωτές αποτελούν κυρίως εξειδικευμένο προϊόν, καθώς συγκρατούν λιγότερο φορτίο από τις μπαταρίες και συχνά κοστίζουν περισσότερο επειδή απαιτούν ακριβότερα υλικά.

Αυτό ενδέχεται να αλλάξει χάρη στην ανάπτυξη πυκνωτών με βάση το σκυρόδεμα από τέσσερις ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), οι οποίοι θα μπορούσαν τελικά να μετατρέψουν κτίρια και δρόμους σε γιγάντιες μπαταρίες.

Δημοσίευσαν το πιο πρόσφατο σχέδιό τους στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), με τίτλο «Υψηλής ενεργειακής πυκνότητας πυκνωτές άνθρακα-τσιμέντου για αρχιτεκτονική αποθήκευση ενέργειας».

Εφαρμογές Συμπυκνωτών

Το χαμηλότερο φορτίο των πυκνωτών σε σύγκριση με τις μπαταρίες έχει μέχρι σήμερα περιορίσει τη χρήση τους για μεγάλης κλίμακας ή μακροχρόνια αποθήκευση ενέργειας, παρά την εντυπωσιακή αντοχή τους.

Ωστόσο, η ικανότητά τους να διαχειρίζονται πολύ γρήγορες μεταβολές του ηλεκτρικού φορτίου και πολύ υψηλότερη τάση χωρίς να υφίστανται ζημιά τούς καθιστά χρήσιμους σε εφαρμογές όπου παράγεται ή απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας ταυτόχρονα.

Για παράδειγμα, οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα, τρένα, γερανούς και ανελκυστήρες για βραχυπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας, αναγεννητική πέδηση ή παροχή ισχύος σε σύντομες αιχμές.

Η συνολική ενέργεια δεν είναι απαραίτητα τόσο μεγάλη, αλλά η ένταση και η ταχύτητα είναι.

Στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας και στις εφαρμογές αποθήκευσης, οι υπερπυκνωτές είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στην κάλυψη κενών ισχύος που διαρκούν από λίγα δευτερόλεπτα έως λίγα λεπτά και μπορούν να επαναφορτιστούν γρήγορα.

Βελτίωση Συμπυκνωτών Βασισμένων σε Σκυρόδεμα

Κάνοντας το Σκυρόδεμα να Αποθηκεύει Ενέργεια

Στις μπαταρίες, η διαφορά ενέργειας μεταξύ των επιμέρους ηλεκτροχημικών αντιδράσεων και η διαθέσιμη ποσότητα αντιδραστικού μετάλλου περιορίζουν συνήθως τη χωρητικότητα.

Στους πυκνωτές, ο κύριος περιορισμός είναι η συνολική επιφάνεια του υλικού. Επομένως, κατά κανόνα, τα πιο πορώδη υλικά μπορούν να συγκρατήσουν πολύ περισσότερο φορτίο.

Για αυτόν τον λόγο, τα ετερογενή υλικά (που αποτελούνται από πολλά στοιχεία) είναι συχνά τα καταλληλότερα, όπως και κάθε υλικό που προκύπτει από τον πολυμερισμό απλούστερων υλικών και περιέχει πολλούς πόρους και κυψελίδες.

Ήδη από το 2023, οι ερευνητές του MIT είχαν εξετάσει τις δυνατότητες του σκυροδέματος, ενός υλικού με σύνθετη μικροσκοπική δομή που θεωρητικά θα μπορούσε να μετατραπεί σε πυκνωτή.

Αυτό επιτεύχθηκε με τσιμέντο, νερό, εξαιρετικά λεπτό αιθάλη άνθρακα (με σωματίδια νανοκλίμακας) και ηλεκτρολύτες. Μαζί δημιούργησαν το λεγόμενο ηλεκτροαγώγιμο σκυρόδεμα άνθρακα (ec³, που προφέρεται «e-c-cubed»).

Το ec³ περιέχει μέσα στο σκυρόδεμα ένα «νανοδίκτυο άνθρακα» που μπορεί να αποθηκεύει και να άγει ηλεκτρική ενέργεια.

Αφθονία Σκυροδέματος

Το τσιμέντο και το σκυρόδεμα είναι μακράν τα υλικά που παράγονται περισσότερο στη Γη, με συνολικό όγκο 1,7 δισ. κυβικά μέτρα και μάζα 4,1 δισ. τόνους—περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο υλικό, συμπεριλαμβανομένων της άμμου και του χάλυβα.

Κατά συνέπεια, ακόμη και η μετατροπή ενός πολύ μικρού ποσοστού του παγκόσμιου σκυροδέματος σε μέσο αποθήκευσης ενέργειας θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο αποθηκεύουμε ενέργεια στα σπίτια, τα γραφεία και τις πόλεις μας.

«Κλειδί για τη βιωσιμότητα του σκυροδέματος είναι η ανάπτυξη “πολυλειτουργικού σκυροδέματος”, το οποίο ενσωματώνει λειτουργίες όπως αυτή η αποθήκευση ενέργειας, η αυτοΐαση και η δέσμευση άνθρακα.

Το σκυρόδεμα είναι ήδη το πιο χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό στον κόσμο, οπότε γιατί να μην αξιοποιήσουμε αυτή την κλίμακα για να δημιουργήσουμε και άλλα οφέλη;»

Admir Masic – Αναπληρωτής καθηγητής πολιτικού και περιβαλλοντικού μηχανικού (CEE) στο MIT.

Βελτίωση των Επιδόσεων του ec³

Αύξηση της Ενεργειακής Πυκνότητας

Το αρχικό πρωτότυπο του 2023 είχε αρκετή ενεργειακή πυκνότητα ώστε 45 κυβικά μέτρα ec³—περίπου η ποσότητα σκυροδέματος που χρησιμοποιείται σε ένα τυπικό υπόγειο—να καλύπτουν τις ημερήσιες ανάγκες ενός μέσου σπιτιού.

Παρότι ενδιαφέρον, το μέγεθος αυτό δεν ήταν πραγματικά αξιοποιήσιμο εμπορικά λόγω ζητημάτων κόστους και πρακτικότητας.

Οι νέες εκδοχές του προϊόντος μπορούν να αποθηκεύσουν την ίδια ποσότητα ενέργειας στο 1/9^ο του όγκου, δηλαδή σε μόλις 5 κυβικά μέτρα (176 κυβικά πόδια).
Σύρετε για κύλιση →

Αναλυτική Ανάλυση

Αυτή η υψηλότερη απόδοση επιτεύχθηκε με τη χρήση εστιασμένης δέσμης ιόντων για τη διαδοχική αφαίρεση λεπτών στρωμάτων του υλικού ec³. Στη συνέχεια, τα στρώματα αναλύθηκαν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (τομογραφία FIB-SEM).

Έτσι, οι ερευνητές ανακατασκεύασαν μια εικόνα υψηλής ανάλυσης του αγώγιμου νανοδικτύου. Ανακάλυψαν ότι σχηματίζει έναν «ιστό τύπου φράκταλ» γύρω από τους πόρους του ec³, επιτρέποντας στον ηλεκτρολύτη να διεισδύει και στο ρεύμα να διαρρέει το σύστημα.

Με αυτό το ανώτερο αναλυτικό εργαλείο, η ερευνητική ομάδα πειραματίστηκε με διαφορετικούς ηλεκτρολύτες και συγκεντρώσεις για να διαπιστώσει πώς επηρεάζουν την πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας.

«Διαπιστώσαμε ότι υπάρχει ευρύ φάσμα ηλεκτρολυτών που θα μπορούσαν να είναι κατάλληλοι υποψήφιοι για το ec³.

Σε αυτούς περιλαμβάνεται ακόμη και το θαλασσινό νερό, γεγονός που θα μπορούσε να καταστήσει το υλικό κατάλληλο για παράκτιες και θαλάσσιες εφαρμογές, ίσως ως υποστηρικτική κατασκευή για υπεράκτια αιολικά πάρκα».

Damian Stefaniuk – ερευνητής EC³ Hub

Οι μετρήσεις έδειξαν ότι οι οργανικοί ηλεκτρολύτες, ιδίως εκείνοι που συνδύαζαν άλατα τεταρτοταγούς αμμωνίου—τα οποία συναντώνται σε καθημερινά προϊόντα όπως τα απολυμαντικά—απέδιδαν καλύτερα όταν αναμειγνύονταν με ακετονιτρίλιο, ένα διαυγές αγώγιμο υγρό που χρησιμοποιείται συχνά στη βιομηχανία.

Καλύτερη Κατασκευή Σκυροδέματος Μπαταριών

Προηγουμένως, η μέθοδος απαιτούσε τη σκλήρυνση των ηλεκτροδίων ec³ και έπειτα την εμβάπτισή τους σε ηλεκτρολύτη. Αντί γι’ αυτό, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να προσθέσουν τον ηλεκτρολύτη απευθείας στο νερό ανάμειξης.

Αυτό ήταν απαραίτητο για τη χύτευση παχύτερων ηλεκτροδίων που αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια.

Για να επιδείξει την τεχνολογία, η ομάδα κατασκεύασε μια μικροσκοπική αψίδα από σκυρόδεμα ec³, δείχνοντας πώς η δομική μορφή και η αποθήκευση ενέργειας μπορούν να λειτουργήσουν μαζί.

Λειτουργώντας στα 9 βολτ, η αψίδα στήριζε το βάρος της και πρόσθετο φορτίο, ενώ ταυτόχρονα τροφοδοτούσε μια λυχνία LED.

Αυτόματη Παρακολούθηση της Δομικής Ακεραιότητας

Ένα απρόσμενο φαινόμενο παρατηρήθηκε όταν αύξησαν το φορτίο στην πειραματική αψίδα. Σε κάποιο σημείο, το φως άρχισε να τρεμοπαίζει, υποδεικνύοντας ότι το σκυρόδεμα άρχιζε να υφίσταται βλάβη και η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας να αστοχεί.

Αυτό καθιστά εμφανή τη δομική βλάβη ακόμη και χωρίς ορατές ρωγμές. Μια τέτοια δυνατότητα θα μπορούσε να αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμη σε πραγματικά κτίρια.

«Ενδέχεται να υπάρχει εδώ ένα είδος ικανότητας αυτοπαρακολούθησης. Αν φανταστούμε μια αψίδα ec³ σε αρχιτεκτονική κλίμακα, η έξοδός της μπορεί να μεταβάλλεται όταν δέχεται καταπόνηση, όπως ισχυρούς ανέμους.

Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μεταβολή ως ένδειξη για το πότε και σε ποιον βαθμό καταπονείται μια κατασκευή ή να παρακολουθούμε τη συνολική της κατάσταση σε πραγματικό χρόνο».

Admir Masic – Αναπληρωτής καθηγητής πολιτικού και περιβαλλοντικού μηχανικού (CEE) στο MIT.

Αυτοθέρμαντο Σκυρόδεμα

Αυτός ο σχεδιασμός σκυροδέματος όχι μόνο αποθηκεύει ενέργεια, αλλά διαθέτει και υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Έτσι, μπορεί να βοηθήσει στο λιώσιμο του πάγου που συσσωρεύεται πάνω του και έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για αυτόν τον σκοπό στο Σαπόρο της Ιαπωνίας, ως πιθανή εναλλακτική λύση στο αλάτισμα.

Η αποθηκευμένη ενέργεια, όταν απελευθερώνεται ως θερμότητα, θα μπορούσε επίσης να λιώνει τον πάγο σε δρόμους, πεζοδρόμια και πεζόδρομους.

Το Μέλλον των Σκυροδέματος Μπαταριών και της Αποθήκευσης Ενέργειας

Μέχρι σήμερα, οι μπαταρίες κλίμακας δικτύου έχουν σχεδιαστεί κυρίως ως θερμικές μπαταρίες, αποθήκευση υδρογόνου ή μπαταρίες χαμηλού κόστους από νάτριο, σίδηρο ή αλουμίνιο, ώστε να αντικαταστήσουν το ακριβότερο λίθιο, κοβάλτιο και νικέλιο των μπαταριών ιόντων λιθίου.

Ωστόσο, αν θέλουμε να κλιμακώσουμε την αποθήκευση με μπαταρίες ώστε ο βιομηχανικός πολιτισμός να τροφοδοτείται πλήρως από ηλιακή ενέργεια, ένα τόσο διαδεδομένο υλικό όσο το σκυρόδεμα θα μπορούσε να είναι ιδανικό.

Πρώτον, χρησιμοποιεί ακόμη λιγότερα σπάνια υλικά, καθώς ακόμη και οι μπαταρίες εναλλακτικής χημείας εξακολουθούν να απαιτούν, για παράδειγμα, πολύ χαλκό.

Δεύτερον, θα μπορούσε να ενσωματωθεί πολύ πιο ομαλά στα καθημερινά αστικά τοπία και στις κατασκευές.

Η ομάδα εργάζεται ήδη σε εφαρμογές όπως χώροι στάθμευσης και δρόμοι που θα μπορούν να φορτίζουν ηλεκτρικά οχήματα, καθώς και σπίτια που θα λειτουργούν πλήρως εκτός δικτύου.

Εφόσον το σκυρόδεμα που προκύπτει έχει την ίδια δομική ακεραιότητα με το συμβατικό, θα μπορούσε απλώς να χρησιμοποιείται στη θέση του, παρακάμπτοντας πλήρως την ανάγκη για πρόσθετο χώρο και τις κατασκευαστικές εργασίες των πάρκων μπαταριών.

«Συνδυάζοντας τη σύγχρονη νανοεπιστήμη με ένα αρχαίο δομικό στοιχείο του πολιτισμού, ανοίγουμε τον δρόμο για υποδομές που δεν υποστηρίζουν απλώς τη ζωή μας, αλλά και την τροφοδοτούν».

Admir Masic – Αναπληρωτής καθηγητής πολιτικού και περιβαλλοντικού μηχανικού (CEE) στο MIT.

Επένδυση σε Βιώσιμο Σκυρόδεμα

Ως ένας από τους παγκόσμιους ηγέτες στην παραγωγή τσιμέντου, η CRH θα διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στη μετατροπή των κατασκευών από τσιμέντο σε πιο βιώσιμο κλάδο. Κατέχει την πρώτη θέση ως προς τον συνολικό όγκο δομικών υλικών που προμηθεύει τόσο στην αγορά των ΗΠΑ όσο και της Ευρώπης.

Η εταιρεία δραστηριοποιείται σε 28 χώρες και 3.390 τοποθεσίες, απασχολεί 78.500 άτομα και η CRH Americas αντιπροσωπεύει το 65% των παγκόσμιων πωλήσεών της.

Η εταιρεία αναμένει ότι οι ισχυρές δαπάνες των δυτικών κυβερνήσεων για υποδομές θα στηρίξουν την ανάπτυξή της. Θα πρέπει επίσης να ωφεληθεί από τις τάσεις επαναβιομηχάνισης και επαναφοράς της παραγωγής υψηλής τεχνολογίας στο εσωτερικό.

Στρατηγική Βιωσιμότητας και Αποανθρακοποίησης της CRH

Η CRH έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στη βιωσιμότητα μέσω μιας σειράς πρωτοβουλιών:

• Είναι η μεγαλύτερη εταιρεία ανακύκλωσης στη Βόρεια Αμερική, έχοντας ανακυκλώσει 43,9 εκατ. τόνους αποβλήτων και παραπροϊόντων άλλων βιομηχανιών το 2023.
• Μείωσε τις εκπομπές CO2 κατά 8% το 2023, χάρη στη χρήση 36% εναλλακτικών καυσίμων στις μονάδες τσιμέντου της.
• Στοχεύει σε μείωση των εκπομπών κατά 30% έως το 2030 (σε σύγκριση με το 2021).

Αυτό είναι αξιέπαινο από μόνο του, αλλά μπορεί να θεωρηθεί πολύ λίγο και πολύ αργά.

Ευτυχώς, η CRH αποτελεί επίσης κινητήρια δύναμη πιο θεμελιωδών αλλαγών στον κλάδο. Ειδικότερα, επένδυσε $75 εκατ. στην εταιρεία τσιμέντου χαμηλών εκπομπών Sublime, μαζί με τον ευρωπαϊκό κολοσσό σκυροδέματος Holcim.

Η Sublime Systems αποσχίστηκε από το MIT το 2020 για να χρησιμοποιήσει έναν ηλεκτρολύτη στην παραγωγή τσιμέντου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αντικαθιστώντας τους κλιβάνους υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και ορυκτών καυσίμων. Επιτρέπει επίσης τη χρήση πηγών ασβεστίου ως πρώτη ύλη, αποφεύγοντας την απελευθέρωση CO2 από τον ασβεστόλιθο.

Η πρώτη εμπορική μονάδα της Sublime στο Χόλιοουκ της Μασαχουσέτης αναμένεται να ανοίξει ήδη από το 2026. Αν αποδειχθεί επιτυχημένη, θα μπορούσε να αλλάξει πραγματικά τα δεδομένα στον κλάδο του τσιμέντου και να ανοίξει τον δρόμο για κλιμακούμενη παραγωγή σκυροδέματος χαμηλών εκπομπών.

«Η Sublime αποτελεί ανατρεπτική δύναμη στην παραγωγή τσιμέντου. Η μοναδική τεχνολογία της καλύπτει ολόκληρη τη διαδικασία παραγωγής, από τη χρήση καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας έως πρώτες ύλες χωρίς άνθρακα. Μας ενθουσιάζουν οι δυνατότητές της και χαιρόμαστε που συνεργαζόμαστε για να τη φέρουμε στην αγορά σε μεγάλη κλίμακα. Η επένδυση συνάδει πλήρως με τη στρατηγική της Holcim να επιταχύνει την απανθρακοποίηση των κατασκευών, κλιμακώνοντας τις πιο καινοτόμες τεχνολογίες».

Nollaig Forrest — Chief Sustainability Officer της Holcim

Η CRH επένδυσε επίσης σε άλλες νεοφυείς επιχειρήσεις απανθρακοποίησης και βιωσιμότητας:

• €23,7 εκατ. στην Cool Planet Technologies, η οποία αναπτύσσει λύσεις δέσμευσης άνθρακα για βιομηχανίες που παραδοσιακά ήταν δύσκολο να απανθρακοποιηθούν.
• $34,7 εκατ. από την CRH και άλλους επενδυτές στην Carbon Upcycling Technologies, η οποία χρησιμοποιεί μια πλήρως ηλεκτρική λύση ορυκτοποίησης για τη μόνιμη αποθήκευση CO2 σε βιομηχανικά παραπροϊόντα και ορυκτά, όπως τσιμέντο, πλαστικά, καταναλωτικά προϊόντα, λιπάσματα και φαρμακευτικά προϊόντα.
• Η AICrete, μια πλατφόρμα «συνταγής ως υπηρεσίας» που συνεργάζεται με τοπικούς παραγωγούς σκυροδέματος, βελτιστοποιεί τα διαθέσιμα υλικά και ελαχιστοποιεί την ποσότητα τσιμέντου μέσω αναλύσεων τεχνητής νοημοσύνης, μειώνοντας τόσο το αποτύπωμα CO2 όσο και το κόστος παραγωγής.
• Χρηματοδότηση Σειράς B στη FIDO AI, μια νεοφυή επιχείρηση που χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη για να μειώσει την κατανάλωση νερού και να αυξήσει την εξοικονόμησή του.

Συνολικά, η CRH είναι κερδοφόρος ηγέτης στον κλάδο του σκυροδέματος και προετοιμάζεται πολύ ενεργά για την απανθρακοποίησή του, τόσο άμεσα στις υπάρχουσες εγκαταστάσεις της όσο και ως βασικός πάροχος κεφαλαίων σε καινοτόμες νεοφυείς επιχειρήσεις που δημιουργούν την επόμενη γενιά τεχνολογιών παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος.

Τελευταία Νέα και Ανάπτυξη Μετοχών της CRH Plc (CRH)