Betonikondensaattorit: Energian varastoinnin tulevaisuus

Energian varastointi betonikondensaattoreissa

Energian varastoinnin osalta kaikki huomio keskittyy akkuihin. Kun jonkin aikaa keskityttiin enimmäkseen jatkuvasti kehittyvään litiumioniteknologiaan, nyt kehitetään tai kaupallistetaan myös natriumioni-, puolijohde- ja muita vaihtoehtoisia akkukemikaaleja.

Kaikissa tapauksissa nämä akut varastoivat sähköä kemiallisessa muodossa, yleensä käyttämällä metalli-ioneja sähkövarauksen muutoksen kuljettamiseen.

Lähde: Puhutaanpa tieteestä

Tämä ei kuitenkaan ole ainoa tapa varastoida sähköä. Toinen vaihtoehto on käyttää superkondensaattoria.

Toisin kuin akut, jotka varastoivat sähkövarauksen metalli-ionien massaan, superkondensaattorit ja ultrakondensaattorit pitävät sähkövarauksen johtavan materiaalin pinnalla.

Lähde: Sinovoltaiikka

Tämä perustavanlaatuinen ero energian varastointikonseptissa muuttaa kondensaattoreiden toimintaa akkuihin verrattuna. Koska energia on saatavilla materiaalin pinnalla, se voidaan mobilisoida erittäin nopeasti, mikä mahdollistaa erittäin nopeat lataus- ja purkaussyklit, kun taas akkuja hidastaa vaadittujen kemiallisten reaktioiden nopeus.

Kondensaattorit ovat tähän mennessä olleet enimmäkseen niche-tuote, koska ne pitävät vähemmän varausta kuin akut ja ovat usein kalliimpia, koska ne vaativat kalliimpia materiaaleja.

Tämä saattaa olla muuttumassa, kun neljä Massachusettsin teknillisen korkeakoulun (MIT) tutkijaa on kehittänyt betonipohjaisia ​​kondensaattoreita, joita voitaisiin lopulta käyttää rakennusten ja teiden muuttamiseen jättimäisiksi akuiksi.

He julkaisivat uusimman suunnitelmansa arvostetussa Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) -tieteellisessä julkaisussa otsikolla "Korkean energiatiheyden omaavat hiilisementtisuperkondensaattorit arkkitehtoniseen energian varastointiin".

Kondensaattoreiden sovellukset

Kondensaattoreiden alhainen varaus akkuihin verrattuna on toistaiseksi haitannut niiden käyttöä suurissa tai pitkäaikaisissa energian varastoinneissa niiden huomattavasta kestävyydestä huolimatta.

Niiden kyky käsitellä erittäin nopeita sähkövarauksen muutoksia ja paljon suurempaa jännitettä ilman vaurioita tekee niistä kuitenkin hyödyllisiä sovelluksissa, joissa tuotetaan tai tarvitaan paljon energiaa kerralla.

Esimerkiksi superkondensaattoreita käytetään autoissa, junissa, nostureissa ja hisseissä lyhytaikaiseen energian varastointiin, regeneratiiviseen jarrutukseen tai purskemoodissa tapahtuvaan virransyöttöön.

Vaikka kokonaisenergia ei välttämättä ole kovin korkea, intensiteetti ja nopeus ovat.

Sähköverkoissa ja energian varastointisovelluksissa superkondensaattorit ovat tehokkaimpia kuromaan umpeen muutamasta sekunnista muutamaan minuuttiin kestäviä tehokatkoksia, jotka voidaan ladata nopeasti.

Betonipohjaisten kondensaattoreiden parantaminen

Betonin valmistaminen varastoi energiaa

Akkujen kapasiteettia rajoittaa yleensä eri sähkökemiallisten reaktioiden välinen energiaero ja käytettävissä olevan reaktiivisen metallin määrä.

Kondensaattoreiden suurin rajoitus on materiaalin kokonaispinta-ala. Joten yleensä huokoisimmat materiaalit kuljettavat paljon enemmän varausta.

Tästä syystä heterogeeniset materiaalit (useista alkuaineista valmistetut) ovat usein parhaita, samoin kuin kaikki materiaalit, jotka ovat yksinkertaisempien materiaalien polymeroitumisen tulosta ja joissa on paljon huokosia ja keuhkorakkuloita.

MIT:n tutkijat olivat jo vuonna 2023 tutkineet betonin potentiaalia. Betonilla on monimutkainen mikroskooppinen rakenne, josta teoriassa voitaisiin tehdä kondensaattori.

Tämä saavutettiin käyttämällä sementtiä, vettä, erittäin hienoa hiilimustaa (nanoskaalaisilla hiukkasilla) ja elektrolyyttejä. Yhdessä he loivat niin kutsutun elektronia johtavan hiilibetonin (ec³, lausutaan ”ec-kuutioitu”).

ec³ sisältää betonin sisällä "hiilinanoverkon", joka voi varastoida ja johtaa sähköä.

Betonin runsaus

Sementti ja betoni ovat ylivoimaisesti eniten tuotettuja materiaaleja maapallolla. Niiden kokonaismäärä ja massa ovat 1.7 miljardia kuutiometriä ja 4.1 miljardia tonnia, mikä on enemmän kuin minkään muun materiaalin, kuten hiekan ja teräksen, kokonaismäärä ja massa.

Lähde: Visual Capitalist

Tämä tarkoittaa, että jopa hyvin pienen osan maailman betonista muuttaminen energian varastoinniksi voisi muuttaa radikaalisti tapaamme varastoida energiaa kodeissamme, toimistoissamme ja kaupungeissamme.

”Betonin kestävyyden avain on monitoimisen betonin kehittäminen, joka yhdistää toimintoja, kuten tämän energian varastoinnin, itsekorjautumiskokeilleja hiilen sitominen.

Betoni on jo maailman käytetyin rakennusmateriaali, joten miksi ei hyödynnettäisi tätä mittakaavaa muiden etujen luomiseksi?

Amir Masic -rakennus- ja ympäristötekniikan (CEE) apulaisprofessori MIT:ssä.

ec³-suorituskyvyn parantaminen

Energiatiheyden lisääminen

Alkuperäinen vuoden 2023 prototyyppi oli niin energiatiheä, että 45 kuutiometriä betonia ec³ – suunnilleen tyypillisessä kellarissa käytetyn betonimäärän verran – riitti tyydyttämään keskimääräisen kodin päivittäiset tarpeet.

Vaikka se oli mielenkiintoista, kustannus- ja käytännöllisyyskysymykset tekivät tästä numerosta kaupallisesti käyttökelvottoman.

Tutkijoiden uudet versiot tuotteesta voivat varastoida saman määrän energiaa 1/9 sekunnissa.^th tilavuus eli vain 5 kuutiometriä (176 kuutiojalkaa).
Pyyhkäise vierittääksesi →

Syvällinen analyysi

Tämä parempi suorituskyky saavutettiin käyttämällä fokusoitua ionisuihkua poistamaan peräkkäin ohuita ec³-materiaalikerroksia. Nämä kerrokset analysoitiin sitten pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (FIB-SEM-tomografia).

Tämä mahdollisti tutkijoiden rekonstruoida korkearesoluutioinen kuva johtavasta nanoverkosta. He havaitsivat, että se muodostaa "fraktaalin kaltaisen verkon", joka ympäröi ec³-huokosia, mikä mahdollistaa elektrolyytin tunkeutumisen ja virran kulkemisen järjestelmän läpi.

Tämän ylivoimaisen analyyttisen työkalun avulla tutkimusryhmä kokeili erilaisia ​​elektrolyyttejä ja niiden pitoisuuksia nähdäkseen, miten ne vaikuttivat energian varastointitiheyteen.

"Havaitsimme, että on olemassa laaja valikoima elektrolyyttejä, jotka voisivat olla käyttökelpoisia ehdokkaita ec³:lle."

Tämä sisältää jopa meriveden, mikä voisi tehdä siitä hyvän materiaalin rannikko- ja merisovelluksiin, ehkäpä merituulivoimaloiden tukirakenteiksi.”

Damian Stefaniuk - EC³ Hubin tutkija

He mittasivat, että orgaaniset elektrolyytit, erityisesti ne, jotka yhdistivät kvaternäärisiä ammoniumsuoloja, joita löytyy jokapäiväisistä tuotteista, kuten desinfiointiaineista, toimivat parhaiten sekoitettuna asetonitriiliin, kirkkaaseen, johtavaan nesteeseen, jota usein käytetään teollisuudessa.

Betoniakkujen parempi valmistus

Aiemmin käytetyssä menetelmässä ec³-elektrodit piti ensin kovettaa ja sitten liottaa elektrolyytissä. Sen sijaan he huomasivat, että elektrolyytti voitiin lisätä suoraan sekoitusveteen.

Tämä oli olennaista paksumpien, enemmän energiaa varastoivien elektrodien valamisessa.

Tämän teknologian demonstroimiseksi tiimi rakensi pienoiskokoisen ec³-betonikaaren osoittaakseen, miten rakennemuoto ja energian varastointi voivat toimia yhdessä.

Yhdeksän voltin jännitteellä toimiva kaari kannatteli omaa painoaan ja lisäkuormaa samalla, kun se antoi virtaa LED-valolle.

Rakenteellisen eheyden automaattinen valvonta

Yllättävä ilmiö tapahtui, kun he lisäsivät testikaaren varausta. Jossain vaiheessa valo alkoi välkkyä heijastaen betonin alkavia vaurioita ja sähkön varastoinnin pettämistä.

Tämä aiheuttaa selviä rakenteellisia vaurioita, vaikka näkyviä halkeamia ei ole. Tällainen kapasiteetti voisi olla erittäin hyödyllinen todellisissa rakennuksissa.

”Tässä saattaa olla jonkinlaista itsevalvontakykyä. Jos ajattelemme ec³-kaarta arkkitehtonisessa mittakaavassa, sen tuotos voi vaihdella, kun siihen vaikuttaa stressitekijä, kuten kova tuuli.”

Voimme ehkä käyttää tätä signaalina siitä, milloin ja missä määrin rakenne on stressaantunut, tai seurata sen yleistä kuntoa reaaliajassa.

Amir Masic -rakennus- ja ympäristötekniikan (CEE) apulaisprofessori MIT:ssä.

Itselämpenevä betoni

Tämä betonirakenne ei ainoastaan ​​pysty varastoimaan energiaa, vaan sillä on myös parempi lämmönjohtavuus. Tämän seurauksena se voi auttaa sulattamaan betoniin kertyneen jään, ja sitä on jo käytetty tähän tarkoitukseen Sapporossa Japanissa, mikä edustaa mahdollista vaihtoehtoa suolaamiselle.

Varastoitua ja sitten lämmön muodossa tapahtuvaa energiaa voitaisiin käyttää myös jään sulattamiseen teiltä, ​​jalkakäytäviltä ja kävelyreiteiltä.

Betoniakkujen ja energian varastoinnin tulevaisuus

Tähän mennessä suuritehoisia akkuja on enimmäkseen kuviteltu lämpöakkuina, vedyn varastointiakkuina tai edullisista materiaaleista, kuten natriumista, rautasta tai alumiinista, valmistettuina akkuina, jotka korvaavat kalliimmat litium/koboltti/nikkeli-litiumioniakut.

Jos kuitenkin aiomme laajentaa akkuvarastointia teollistuneen sivilisaation täysimääräiseksi käyttämiseksi aurinkoenergialla, yleisempi materiaali, kuten betoni, voisi olla ihanteellinen.

Ensinnäkin siinä käytetään vieläkin harvinaisempia materiaaleja, sillä esimerkiksi jopa vaihtoehtokemialliset akut vaativat paljon kuparia.

Toiseksi, se voitaisiin myös integroida saumattomasti jokapäiväisiin kaupunkimaisemiin ja -rakentamiseen.

Tiimi työskentelee jo sellaisten sovellusten parissa kuin pysäköintialueet ja tiet, joilla voitaisiin ladata sähköajoneuvoja, sekä kodit, jotka voivat toimia täysin sähköverkosta irti.

Koska tuloksena olevalla betonilla on sama rakenteellinen eheys kuin tavallisella betonilla, voisi olla järkevää käyttää sitä ja ohittaa kokonaan akkupuistojen lisätilan ja rakennusmenettelyn tarve.

”Yhdistämällä modernin nanotieteen muinaiseen sivilisaation rakennuspalikkaan avaamme oven infrastruktuurille, joka ei ainoastaan ​​tue elämäämme, vaan myös antaa sille voimaa.”

Amir Masic -rakennus- ja ympäristötekniikan (CEE) apulaisprofessori MIT:ssä.

Investointi kestävään sementtiin

CRH Plc