Energie
Betoncondensatoren: De Toekomst van Energieopslag
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Energie opslaan in betoncondensatoren
Bij energieopslag gaat vrijwel alle aandacht naar batterijen. Eerst draaide het vooral om steeds betere lithium-iontechnologie, maar inmiddels worden ook natrium-ion-, solid-state- en andere alternatieve batterijchemieën ontwikkeld of commercieel toegepast.
Al deze batterijen slaan elektriciteit chemisch op, meestal met metaalionen die de elektrische lading transporteren.
Bron: Let’s Talk Science
Dat is echter niet de enige manier om elektriciteit op te slaan. Een supercondensator vormt een alternatief.
Batterijen bewaren lading in een massa metaalionen, terwijl super- en ultracondensatoren de elektrische lading vasthouden aan het oppervlak van een geleidend materiaal.
Bron: Sinovoltaics
Dit fundamentele verschil bepaalt hoe condensatoren werken. Omdat de energie aan het materiaaloppervlak beschikbaar is, kan ze razendsnel worden vrijgemaakt. Daardoor zijn extreem snelle laad- en ontlaadcycli mogelijk, terwijl batterijen worden beperkt door de snelheid van chemische reacties.
Condensatoren zijn tot nu toe vooral een nicheproduct: ze bevatten minder lading dan batterijen en zijn vaak duurder doordat kostbaardere materialen nodig zijn.
Dat kan veranderen dankzij betoncondensatoren van vier onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), waarmee gebouwen en wegen uiteindelijk in enorme batterijen kunnen veranderen.
Hun nieuwste ontwerp verscheen in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) onder de titel “Koolstof-cementsupercondensatoren met hoge energiedichtheid voor energieopslag in gebouwen”.
Toepassingen van condensatoren
De lage lading ten opzichte van batterijen heeft grootschalige of langdurige energieopslag met condensatoren tot nu toe beperkt, ondanks hun uitzonderlijke levensduur.
Hun vermogen om zonder schade zeer snelle ladingsveranderingen en veel hogere spanningen te verwerken, maakt ze juist geschikt wanneer in korte tijd veel energie wordt geproduceerd of gevraagd.
Supercondensatoren worden bijvoorbeeld gebruikt in auto’s, treinen, kranen en liften voor kortdurende opslag, regeneratief remmen en piekvermogen.
De totale hoeveelheid energie is niet altijd groot, maar de intensiteit en snelheid zijn dat wel.
In elektriciteitsnetten zijn supercondensatoren bijzonder effectief om vermogensonderbrekingen van enkele seconden tot minuten te overbruggen; daarna kunnen ze snel worden opgeladen.
Betoncondensatoren verbeteren
Beton energie laten opslaan
Bij batterijen wordt de capaciteit meestal beperkt door het energieverschil tussen elektrochemische reacties en de beschikbare hoeveelheid reactief metaal.
Bij condensatoren is het totale materiaaloppervlak de belangrijkste beperking. Zeer poreuze materialen kunnen daarom doorgaans veel meer lading dragen.
Heterogene materialen met meerdere bestanddelen en materialen die ontstaan door polymerisatie zijn vaak het geschiktst, omdat ze veel poriën en holtes bevatten.
MIT-onderzoekers onderzochten in 2023 al het potentieel van beton, waarvan de complexe microscopische structuur theoretisch tot condensator kan worden gemaakt.
Ze combineerden cement, water, ultrafijn carbon black en elektrolyten tot zogenoemd elektronengeleidend koolstofbeton: ec³, uitgesproken als ‘e-c-cubed’.
Ec³ bevat een koolstofnanonetwerk dat elektriciteit kan opslaan en geleiden.
De overvloed aan beton
Cement en beton zijn veruit de meest geproduceerde materialen op aarde. Hun jaarvolumes bedragen 1,7 miljard kubieke meter en 4,1 miljard ton, meer dan ieder ander materiaal, waaronder zand en staal.
Bron: Visual Capitalist
Als slechts een klein deel van al het beton energie zou opslaan, kan dat de opslag in woningen, kantoren en steden ingrijpend veranderen.
“Een sleutel tot duurzaam beton is de ontwikkeling van multifunctioneel beton, dat energieopslag combineert met functies als zelfherstel en koolstofvastlegging.
Beton is al het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld. Waarom zouden we die schaal niet benutten voor extra voordelen?”
Admir Masic – universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan MIT
De prestaties van ec³ verbeteren
De energiedichtheid verhogen
Het prototype uit 2023 had voldoende energiedichtheid om met 45 kubieke meter ec³—ongeveer de hoeveelheid beton in een doorsnee kelder—de dagelijkse behoefte van een gemiddeld huishouden te dekken.
Het concept was interessant, maar door de kosten en praktische bezwaren was dit volume commercieel nauwelijks bruikbaar.
Nieuwe versies slaan dezelfde hoeveelheid energie op in een negende van het volume: slechts 5 kubieke meter.
Veeg om te scrollen →
| Technologie | Energiedichtheid | Laad-/ontlaadsnelheid | Levensduur | Belangrijkste materialen |
|---|---|---|---|---|
| Lithium‑ionbatterij | 150–250 Wh/kg | Minuten–uren | ~2.000 cycli | Lithium, kobalt, nikkel |
| Supercondensator | 5–10 Wh/kg | Seconden | >1.000.000 cycli | Geactiveerde koolstof |
| Betoncondensator (ec³) | ~50 Wh/kg (verwacht) | Seconden–minuten | >100.000 cycli | Cement, koolstofzwart, elektrolyt |
Diepgaande analyse
De hogere prestaties werden bereikt door met een gefocusseerde ionenbundel opeenvolgend dunne lagen ec³ te verwijderen. Die lagen zijn vervolgens geanalyseerd met een rasterelektronenmicroscoop en FIB-SEM-tomografie.
Zo konden de onderzoekers een beeld met hoge resolutie van het geleidende nanonetwerk reconstrueren. Het vormt een fractaalachtig web rond de poriën van ec³, waardoor elektrolyt kan binnendringen en stroom door het systeem kan vloeien.
Met deze analysemethode testte het team verschillende elektrolyten en concentraties om hun invloed op de energiedichtheid te bepalen.
“We ontdekten dat een brede reeks elektrolyten geschikt kan zijn voor ec³.
Zelfs zeewater behoort tot de mogelijkheden. Daardoor kan het materiaal bruikbaar zijn in kust- en maritieme toepassingen, bijvoorbeeld als draagconstructie voor windparken op zee.”
Organische elektrolyten presteerden het beste wanneer quaternaire ammoniumzouten, die ook in alledaagse producten als ontsmettingsmiddelen voorkomen, werden gemengd met acetonitril, een heldere geleidende vloeistof die veel in de industrie wordt gebruikt.
Betonbatterijen efficiënter vervaardigen
Bij de oude methode moesten de ec³-elektroden eerst uitharden en daarna in elektrolyt weken. De onderzoekers ontdekten dat het elektrolyt rechtstreeks aan het mengwater kon worden toegevoegd.
Dat was essentieel om dikkere elektroden te gieten die meer energie konden opslaan.
Als demonstratie bouwde het team een miniatuurboog van ec³-beton om te tonen hoe een dragende vorm en energieopslag samen kunnen werken.
Bij 9 volt droeg de boog zijn eigen gewicht en extra belasting terwijl hij een ledlamp van stroom voorzag.
Automatische bewaking van de constructieve staat
Toen de onderzoekers de lading van de testboog opvoerden, begon het licht onverwacht te flikkeren. Dat wees erop dat het beton beschadigd raakte en de opslagfunctie achteruitging.
Zo worden constructieve beschadigingen zichtbaar voordat er scheuren te zien zijn—een mogelijkheid die in echte gebouwen zeer nuttig kan zijn.
“Er lijkt een vorm van zelfbewaking mogelijk. Bij een ec³-boog op gebouwschaal kan het vermogen fluctueren wanneer harde wind of een andere belasting de constructie raakt.
Dat signaal kan aangeven wanneer en in welke mate de constructie onder spanning staat, of haar algemene toestand realtime bewaken.”
Admir Masic – universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan MIT
Zelfverwarmend beton
Dit beton kan niet alleen elektriciteit opslaan, maar geleidt warmte ook beter. Daardoor kan het ijs laten smelten. In Sapporo in Japan is het al voor dat doel gebruikt als mogelijk alternatief voor strooizout.
Opgeslagen energie die als warmte wordt vrijgegeven, kan ook ijs op wegen, stoepen en wandelpaden laten smelten.
De toekomst van betonbatterijen en energieopslag
Grootschalige opslag werd tot nu toe vooral voorgesteld als warmteopslag, waterstof of batterijen met goedkope materialen zoals natrium, ijzer en aluminium ter vervanging van het duurdere lithium, kobalt en nikkel.
Als batterijopslag echter groot genoeg moet worden om een geïndustrialiseerde samenleving volledig met zonne-energie te laten draaien, kan een alomtegenwoordig materiaal als beton ideaal zijn.
Het gebruikt nog minder zeldzame materialen; zelfs alternatieve batterijchemieën vereisen bijvoorbeeld veel koper.
Bovendien kan betonopslag veel natuurlijker in dagelijkse stedelijke landschappen en constructies worden geïntegreerd.
Het team werkt al aan parkeerplaatsen en wegen die elektrische voertuigen kunnen opladen en aan woningen die volledig onafhankelijk van het net functioneren.
Omdat het beton dezelfde constructieve sterkte heeft als normaal beton, kan het dat rechtstreeks vervangen. Extra ruimte en bouwprocedures voor batterijparken zijn dan niet nodig.
“Door moderne nanowetenschap te combineren met een eeuwenoude bouwsteen van de beschaving openen we de deur naar infrastructuur die ons leven niet alleen ondersteunt, maar ook van energie voorziet.”
Admir Masic – universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan MIT
Investeren in duurzaam cement
CRH Prijsgrafiek
Als een van ‘s werelds grootste cementproducenten speelt CRH een belangrijke rol bij de verduurzaming van de bouw. Het bedrijf levert in zowel de VS als Europa het grootste totale volume bouwmaterialen.
Het bedrijf is actief op 3.390 locaties in 28 landen en heeft 78.500 werknemers. CRH Americas is goed voor 65% van de wereldwijde omzet.
Bron: CRH
Het bedrijf verwacht dat stevige infrastructuuruitgaven van westerse overheden de groei ondersteunen. Ook herindustrialisatie en het terughalen van hoogwaardige productie helpen.
De duurzaamheids- en decarbonisatiestrategie van CRH
CRH heeft met verschillende initiatieven aanzienlijke vooruitgang geboekt:
- Het is de grootste recycler van Noord-Amerika en verwerkte in 2023 43,9 miljoen ton afval en industriële bijproducten.
- De CO2-uitstoot daalde in 2023 met 8%, mede doordat de cementfabrieken voor 36% alternatieve brandstoffen gebruikten.
- CRH streeft naar 30% minder uitstoot in 2030 dan in 2021.
Dat is op zichzelf prijzenswaardig, maar kan ook als te weinig en te laat worden beschouwd.
CRH stimuleert gelukkig ook fundamentelere veranderingen. Samen met Holcim investeerde het 75 miljoen dollar in koolstofarm cementbedrijf Sublime.
Sublime Systems ontstond in 2020 aan MIT en gebruikt een elektrolyser om cement bij omgevingstemperatuur te produceren. Daarmee vervangt het energie- en fossielebrandstofintensieve ovens. Andere calciumbronnen voorkomen bovendien de CO2-uitstoot uit kalksteen.
De eerste commerciële fabriek van Sublime in Holyoke, Massachusetts, kan al in 2026 openen. Bij succes kan ze de cementsector ingrijpend veranderen en grootschalig koolstofarm beton mogelijk maken.
“Sublime is een ontwrichtende kracht in cementproductie. De technologie verandert het hele proces, van schone elektriciteit tot koolstofvrije grondstoffen. We zijn enthousiast over het potentieel en brengen de oplossing graag samen op grote schaal naar de markt. De investering past volledig bij Holcims strategie om de bouw sneller te decarboniseren met de meest innovatieve technologieën.”
Nollaig Forrest – Chief Sustainability Officer van Holcim
CRH investeerde daarnaast in andere start-ups voor decarbonisatie en duurzaamheid:
- €23,7 miljoen in Cool Planet Technologies, dat koolstofafvang ontwikkelt voor moeilijk te decarboniseren industrieën.
- $34,7 miljoen, samen met andere investeerders, in Carbon Upcycling Technologies. De volledig elektrische mineralisatie slaat CO2 blijvend op in industriële bijproducten en mineralen.
- AICrete, een platform voor ‘recepten als dienst’ dat lokale materialen optimaliseert en met AI minder cement, een lagere CO2-voetafdruk en lagere kosten mogelijk maakt.
- De Series B-financiering van FIDO AI, een start-up die AI gebruikt om waterverbruik te verminderen en waterbesparing te vergroten.
CRH is kortom een winstgevende marktleider die de decarbonisatie van beton actief voorbereidt, zowel in de eigen fabrieken als door kapitaal te verschaffen aan start-ups die de volgende generatie cement- en betontechnologie ontwikkelen.
Laatste nieuws en ontwikkelingen rond het aandeel CRH Plc (CRH)
