कंक्रीट कैपेसिटर: ऊर्जा भंडारण का भविष्य

कंक्रीट कैपेसिटर में ऊर्जा संग्रहीत करना

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.

सभी मामलों में, ये बैटरियां बिजली को रासायनिक रूप में संग्रहीत करती हैं, आमतौर पर धातु आयनों का उपयोग करके विद्युत चार्ज को ले जाती हैं।

स्रोत: Let’s Talk Science

हालाँकि, यह बिजली संग्रहीत करने का एकमात्र तरीका नहीं है। एक अन्य विकल्प सुपरकैपेसिटर का उपयोग है।

बैटरियों के विपरीत, जो विद्युत चार्ज को धातु आयनों के द्रव्यमान में संग्रहीत करती हैं, सुपरकैपेसिटर और अल्ट्राकैपेसिटर विद्युत चार्ज को एक चालक सामग्री की सतह पर रखते हैं।

स्रोत: Sinovoltaics

ऊर्जा भंडारण अवधारणा में यह मूलभूत अंतर कैपेसिटर के कार्य करने के तरीके को बैटरियों की तुलना में बदल देता है। क्योंकि ऊर्जा सामग्री की सतह पर उपलब्ध होती है, इसे बहुत तेज़ी से गतिशील किया जा सकता है, जिससे अल्ट्रा-तेज़ चार्ज और डिस्चार्ज चक्र संभव होते हैं, जबकि बैटरियों को आवश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गति से धीमा किया जाता है।

अब तक कैपेसिटर मुख्यतः एक विशेष उत्पाद रहे हैं, क्योंकि वे बैटरियों की तुलना में कम चार्ज रखते हैं, और अक्सर अधिक महंगे होते हैं, क्योंकि उन्हें अधिक महंगे सामग्री की आवश्यकता होती है।

यह बदल रहा हो सकता है, क्योंकि मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT) के चार शोधकर्ताओं द्वारा कंक्रीट-आधारित कैपेसिटर का विकास किया गया है, जिसे अंततः इमारतों और सड़कों को विशाल बैटरियों में बदलने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

They published their latest design in the prestigious scientific journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) under the title “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

कैपेसिटर के अनुप्रयोग

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

हालाँकि, बहुत तेज़ विद्युत चार्ज परिवर्तन और बहुत अधिक वोल्टेज को बिना किसी क्षति के संभालने की उनकी क्षमता उन्हें उन अनुप्रयोगों में उपयोगी बनाती है जहाँ एक साथ बड़ी मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न या आवश्यक होती है।

उदाहरण के लिए, सुपरकैपेसिटर को ऑटोमोबाइल, ट्रेन, क्रेन और लिफ्ट में अल्पकालिक ऊर्जा भंडारण, पुनर्जनन ब्रेकिंग, या बर्स्ट-मोड पावर डिलीवरी के लिए उपयोग किया जाता है।

हालाँकि कुल ऊर्जा आवश्यक रूप से बहुत अधिक नहीं होती, लेकिन तीव्रता और गति बहुत अधिक होती है।

For power grids and energy storage applications, supercapacitors are most effective in bridging power gaps that last from a few seconds to a few minutes and can be quickly recharged.

कंक्रीट-आधारित कैपेसिटर में सुधार

कंक्रीट को ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए बनाना

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

कैपेसिटर के लिए, मुख्य सीमा सामग्री की कुल सतह होती है। इसलिए सामान्यतः, सबसे अधिक छिद्रयुक्त सामग्री अधिक चार्ज रखेगी।

इस कारण, मिश्रित सामग्री (कई तत्वों से बनी) अक्सर सबसे अच्छी होती है, साथ ही कोई भी सामग्री जो सरल सामग्रियों के पॉलिमराइजेशन से बनी हो, जिसमें कई छिद्र और अल्वेओली हों।

2023 में ही, MIT के शोधकर्ताओं ने कंक्रीट की संभावनाओं की जांच की, जो एक जटिल सूक्ष्म संरचना वाली सामग्री है जिसे सिद्धांत रूप में कैपेसिटर में बदला जा सकता है।

यह सीमेंट, पानी, अल्ट्रा-फाइन कार्बन ब्लैक (नैनोस्केल कणों के साथ), और इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करके हासिल किया गया। साथ में, उन्होंने तथाकथित इलेक्ट्रॉन-चालक कार्बन कंक्रीट (ec³, उच्चारित “ई-सी-क्यूब्ड”) बनाया।

ec³ contains a “carbon nanonetwork” inside the concrete that can store and conduct electricity.

कंक्रीट की प्रचुरता

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.

स्रोत: Visual Capitalist

As a result, this means that even turning a very small fraction of the world’s concrete into energy storage could radically change how we store energy in our homes, offices, and cities.

“A key to the sustainability of concrete is the development of ‘multifunctional concrete,’ which integrates functionalities like this energy storage, self-healing, and carbon sequestration.

Concrete is already the world’s most-used construction material, so why not take advantage of that scale to create other benefits?”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

ec³ प्रदर्शन में सुधार

ऊर्जा घनत्व को बढ़ाना

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.

हालाँकि यह रोचक है, लागत और व्यावहारिकता के प्रश्नों ने इस संख्या को व्यावसायिक रूप से उपयोगी नहीं बना दिया।

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).

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गहन विश्लेषण

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).

इससे शोधकर्ताओं को चालक नैनोनेटवर्क की उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवि पुनर्निर्मित करने में मदद मिली। उन्होंने पाया कि यह एक “फ्रैक्टल-सम जैसे जाल” बनाता है जो ec³ के छिद्रों को घेरता है, जिससे इलेक्ट्रोलाइट घुसपैठ कर सकता है और प्रणाली में धारा प्रवाहित हो सकती है।

इस श्रेष्ठ विश्लेषणात्मक उपकरण के साथ, शोध टीम ने विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट्स और उनकी सांद्रता के साथ प्रयोग किया ताकि देखा जा सके कि वे ऊर्जा भंडारण घनत्व को कैसे प्रभावित करते हैं।

“हमने पाया कि इलेक्ट्रोलाइट्स की एक विस्तृत श्रृंखला है जो ec³ के लिए संभावित उम्मीदवार हो सकती है।

यह यहाँ तक कि समुद्री जल को भी शामिल करता है, जिससे यह तटीय और समुद्री अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए एक अच्छा सामग्री बन सकता है, संभवतः समुद्र किनारे पवन फार्मों के समर्थन संरचनाओं के रूप में।”

Damian Stefaniuk – EC³ Hub research scientist

They measured that organic electrolytes, especially those that combined quaternary ammonium salts found in everyday products like disinfectants, performed best when mixed with acetonitrile, a clear, conductive liquid often used in industry.

कंक्रीट बैटरियों का बेहतर निर्माण

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.

यह अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने वाले मोटे इलेक्ट्रोड को कास्ट करने में आवश्यक था।

इस तकनीक का प्रदर्शन करने के लिए, टीम ने एक छोटा ec³ कंक्रीट आर्च बनाया ताकि दिखा सके कि संरचनात्मक रूप और ऊर्जा भंडारण कैसे साथ काम कर सकते हैं।

Operating at 9 volts, the arch supported its own weight and additional load while powering an LED light.

संरचनात्मक अखंडता की स्वचालित निगरानी

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.

यह स्पष्ट संरचनात्मक क्षति को दिखाता है जबकि कोई दृश्य दरार नहीं होती। ऐसी क्षमता वास्तविक इमारतों में बहुत उपयोगी हो सकती है।

“यहाँ एक प्रकार की स्व-निगरानी क्षमता हो सकती है। यदि हम एक वास्तुशिल्प पैमाने पर ec³ आर्च के बारे में सोचें, तो उसका आउटपुट तब बदल सकता है जब इसे उच्च हवाओं जैसी तनावकारी चीज़ द्वारा प्रभावित किया जाता है।

हम इसे एक संकेत के रूप में उपयोग कर सकते हैं कि कब और किस हद तक एक संरचना तनाव में है, या वास्तविक समय में उसकी समग्र स्वास्थ्य की निगरानी कर सकते हैं।”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

स्व-तापमान कंक्रीट

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.

संग्रहीत ऊर्जा को फिर गर्मी के रूप में उपयोग करके सड़कों, फुटपाथों और चलने के मार्गों पर बर्फ पिघलाने के लिए भी उपयोग किया जा सकता है।

कंक्रीट बैटरियों और ऊर्जा भंडारण का भविष्य

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.

हालाँकि, यदि हमें बैटरी भंडारण को स्केल अप करके सौर ऊर्जा से औद्योगीकृत सभ्यता को पूरी तरह से शक्ति प्रदान करनी है, तो कंक्रीट जैसी अधिक सर्वव्यापी सामग्री आदर्श हो सकती है।

पहले, यह और भी कम दुर्लभ सामग्री का उपयोग करता है, क्योंकि वैकल्पिक रसायन विज्ञान वाली बैटरियों को भी उदाहरण के तौर पर बहुत अधिक तांबा चाहिए।

दूसरे, इसे दैनिक शहरी परिदृश्यों और निर्माणों में अधिक सहजता से शामिल किया जा सकता है।

टीम पहले से ही पार्किंग स्थानों और सड़कों जैसे अनुप्रयोगों पर काम कर रही है जो इलेक्ट्रिक वाहनों को चार्ज कर सकते हैं, साथ ही ऐसे घर जो पूरी तरह ग्रिड से बाहर काम कर सकते हैं।

चूंकि परिणामी कंक्रीट की संरचनात्मक अखंडता सामान्य कंक्रीट के समान है, इसलिए इसे सीधे उपयोग करना समझदारी हो सकती है, और बैटरी पार्कों की अतिरिक्त जगह और निर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता को पूरी तरह से बायपास किया जा सकता है।

“आधुनिक नैनोविज्ञान को सभ्यता की प्राचीन निर्माण ब्लॉक के साथ मिलाकर, हम ऐसी बुनियादी ढाँचा का द्वार खोल रहे हैं जो केवल हमारे जीवन को समर्थन नहीं देता, बल्कि उन्हें शक्ति भी देता है।”

Admir Masic – Associate professor of civil and environmental engineering (CEE) at MIT.

सतत सीमेंट में निवेश

सीमेंट उत्पादन में विश्व के नेताओं में से एक के रूप में, CRH सीमेंट निर्माण को अधिक सतत उद्योग में बदलने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा। यह संयुक्त राज्य और यूरोपीय बाजारों में कुल निर्माण सामग्री के आयतन में #1 है।

कंपनी 28 देशों और 3,390 स्थानों में सक्रिय है, 78,500 लोगों को रोजगार देती है, और CRH Americas इसकी वैश्विक बिक्री का 65% बनाता है।

स्रोत: CRH

कंपनी उम्मीद करती है कि पश्चिमी सरकारों द्वारा बुनियादी ढाँचे पर मजबूत खर्च उसके व्यवसाय को बढ़ाने में मदद करेगा। पुनः-औद्योगीकरण और हाई-टेक निर्माण को ऑन-शोर करने के रुझान भी मदद करेंगे।

CRH की स्थिरता और डिकार्बोनाइजेशन रणनीति

CRH ने कई पहलों के साथ स्थिरता में गंभीर प्रगति की है:

• यह उत्तर अमेरिका में #1 सबसे बड़ा रीसायकलर है, 2023 में अन्य उद्योगों से 43.9 मिलियन टन कचरा और उप-उत्पाद रीसायकल किए गए।
• इसने 2023 में अपने CO2 उत्सर्जन को 8% कम किया, अपने सीमेंट प्लांटों में 36% वैकल्पिक ईंधन उपयोग करने के कारण।
• यह 2030 तक उत्सर्जन को 30% कम करने का लक्ष्य रख रहा है (2021 के उत्सर्जन की तुलना में)।

यह स्वयं में प्रशंसनीय है, लेकिन इसे बहुत कम, बहुत देर से माना जा सकता है।

सौभाग्य से, CRH उद्योग में अधिक मूलभूत परिवर्तन का भी प्रेरक है। विशेष रूप से, इसने यूरोपीय कंक्रीट दिग्गज Holcim के साथ मिलकर लो-कार्बन सीमेंट कंपनी Sublime में $75M निवेश किया है.

Sublime Systems 2020 में MIT से स्पिन आउट हुआ था ताकि इलेक्ट्रोलाइज़र का उपयोग करके सामान्य तापमान पर सीमेंट उत्पादन किया जा सके, जिससे ऊर्जा और जीवाश्म ईंधन-गहन किल्न को बदल दिया जाए। यह कैल्शियम स्रोतों को इनपुट सामग्री के रूप में उपयोग करने की भी सुविधा देता है, जिससे चूना पत्थर इनपुट से CO2 के उत्सर्जन से बचा जा सके।

Sublime की पहली व्यावसायिक सुविधा Holyoke, Massachusetts में 2026 तक खुलने की उम्मीद है। यदि सफल सिद्ध हुई, तो यह सीमेंट उद्योग के लिए वास्तविक गेम-चेंजर हो सकता है और स्केलेबल कम-उत्सर्जन कंक्रीट का मार्ग खोल सकता है।

“Sublime सीमेंट निर्माण में एक विघटनकारी शक्ति है। इसकी अनूठी तकनीक पूरे उत्पादन प्रक्रिया में लागू होती है, साफ़ बिजली के उपयोग से लेकर कार्बन-रहित कच्चे माल तक। हम इसकी संभावनाओं को लेकर उत्साहित हैं और इसे बड़े पैमाने पर बाजार में लाने के लिए साझेदारी करने पर प्रसन्न हैं। यह निवेश Holcim की रणनीति के साथ पूरी तरह मेल खाता है, जो सबसे नवाचारी तकनीकों को स्केल अप करके निर्माण के डिकार्बोनाइजेशन को तेज़ करता है।”

Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability

CRH ने अन्य डिकार्बोनाइजेशन और स्थिरता स्टार्टअप्स में भी निवेश किया:

• €23.7 मिलियन Cool Planet Technologies में, जो उन उद्योगों के लिए कार्बन कैप्चर समाधान विकसित कर रही है जिन्हें पारंपरिक रूप से डिकार्बोनाइज़ करना कठिन रहा है।
• $34.7M Carbon Upcycling Technologies में, जो एक पूरी तरह इलेक्ट्रिक खनिजीकरण समाधान का उपयोग करके CO2 को औद्योगिक उप-उत्पादों और खनिजों में स्थायी रूप से संग्रहीत करता है, जैसे सीमेंट, प्लास्टिक, उपभोक्ता उत्पाद, उर्वरक, और फार्मास्यूटिकल्स।
• AICrete, एक ‘रेसिपी-एज़-ए-सर्विस’ प्लेटफ़ॉर्म है जो स्थानीय कंक्रीट निर्माताओं के साथ काम करता है, स्थानीय सामग्री को अनुकूलित करता है और AI विश्लेषण का उपयोग करके उपयोग किए जाने वाले सीमेंट की मात्रा को कम करता है, जिससे CO2 फुटप्रिंट और कंक्रीट उत्पादन की लागत दोनों घटती हैं।
• FIDO AI की सीरीज़ B फंडिंग एक स्टार्टअप है जो AI का उपयोग करके जल उपभोग को कम करता है और जल बचत बढ़ाता है।

समग्र रूप से, CRH कंक्रीट उद्योग में एक लाभदायक नेता है, और उद्योग के डिकार्बोनाइजेशन के लिए बहुत सक्रिय रूप से तैयारी कर रहा है, चाहे मौजूदा सुविधाओं में सीधे हो या नवाचारी स्टार्टअप्स को पूंजी प्रदान करके जो अगली पीढ़ी के सीमेंट और कंक्रीट उत्पादन तकनीक बना रहे हैं।

CRH Plc (CRH) स्टॉक समाचार और विकास