Betongkondensatorer: Framtiden för energilagring

Lagring av energi i betongkondensatorer

När det gäller energilagring är all uppmärksamhet koncentrerad på batterier. Under en period fokuserades mest på den ständigt förbättrade litiumjonteknologin, men nu utvecklas även natriumjon-, fastfas- och andra typer av alternativa batterikemi, eller de når den kommersiella fasen.

I alla fall lagrar dessa batterier elektricitet i en kemisk form, vanligtvis med metalliska joner som bär den elektriska laddningsförändringen.

Källa: Let’s Talk Science

Detta är dock inte det enda sättet att lagra elektricitet. Ett annat alternativ är att använda en superkondensator.

Till skillnad från batterier som lagrar den elektriska laddningen i en massa metalliska joner, håller superkondensatorer och ultrakondensatorer den elektriska laddningen på ytan av ett ledande material.

Källa: Sinovoltaics

Denna grundläggande skillnad i energilagringskonceptet förändrar hur kondensatorer fungerar jämfört med batterier. Eftersom energin är tillgänglig på materialets yta kan den mobiliseras mycket snabbt, vilket möjliggör ultrarapida laddnings- och urladdningscykler, medan batterier begränsas av hastigheten på de nödvändiga kemiska reaktionerna.

Kondensatorer har hittills mest varit en nischprodukt, eftersom de lagrar mindre laddning än batterier och ofta är dyrare, då de kräver dyrare material.

Detta kan vara på väg att förändras, med utvecklingen av betongbaserade kondensatorer av fyra forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), som potentiellt kan användas för att omvandla byggnader och vägar till gigantiska batterier.

De publicerade sin senaste design i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) under titeln “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Tillämpningar av kondensatorer

Kondensatorers låga laddning jämfört med batterier har hittills hindrat deras användning för stor eller långsiktig energilagrning, trots deras anmärkningsvärda hållbarhet.

Dock gör deras förmåga att hantera mycket snabba förändringar i elektrisk laddning och mycket högre spänning, utan att skadas, dem användbara för tillämpningar där mycket energi produceras eller behövs på en gång.

Till exempel används superkondensatorer i bilar, tåg, kranar och hissar för korttidsenergilagring, regenerativ bromsning eller pulslägeffektleverans.

Även om den totala energin inte nödvändigtvis är så hög, är intensiteten och hastigheten det.

För elnät och energilagringsapplikationer är superkondensatorer mest effektiva för att överbrygga kraftgap som varar från några sekunder till några minuter och kan snabbt laddas om.

Förbättring av betongbaserade kondensatorer

Att få betong att lagra energi

För batterier begränsar vanligtvis energidifferensen mellan de olika elektrokemiska reaktionerna och mängden reaktivt metall den tillgängliga kapaciteten.

För kondensatorer är den största begränsningen det totala materialets yta. Så generellt sett kan de mest porösa materialen lagra mycket mer laddning.

Av den anledningen är heterogena material (bestående av flera element) ofta bäst, liksom material som är resultatet av polymerisation av enklare material, med många porer och alveoler inuti.

Redan 2023 hade MIT-forskarna utforskat potentialen hos betong, ett material med en komplex mikroskopisk struktur som teoretiskt skulle kunna omvandlas till en kondensator.

Detta uppnåddes genom att använda cement, vatten, ultrafint kolsvart (med nanoskaliga partiklar) och elektrolyter. Tillsammans skapade de den så kallade elektronledande kolbetongen (ec³, uttalas “e-c-cubed”).

ec³ innehåller ett “kolnanonätverk” inuti betongen som kan lagra och leda elektricitet.

Betongens överflöd

Cement och betong är med hela klart de mest producerade materialen på jorden, med totala volymer och massa på 1,7 miljarder kubikmeter och 4,1 miljarder ton, högre än något annat material, inklusive sand och stål.

Källa: Visual Capitalist

Som ett resultat innebär detta att även om en mycket liten del av världens betong omvandlas till energilagring kan det radikalt förändra hur vi lagrar energi i våra hem, kontor och städer.

“En nyckel till betongens hållbarhet är utvecklingen av ‘multifunktionell betong’, som integrerar funktioner som denna energilagring, self-healing, och carbon sequestration.

Betong är redan världens mest använda byggmaterial, så varför inte utnyttja den skalan för att skapa andra fördelar?”

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

Förbättring av ec³-prestanda

Öka energitätheten

Den ursprungliga prototypen från 2023 var tillräckligt energität så att 45 kubikmeter ec³, ungefär den mängd betong som används i ett typiskt källare, räckte för att täcka det dagliga behovet för ett genomsnittligt hem.

Även om det är intressant, gjorde kostnads- och praktikalitetsfrågor att detta tal inte var kommersiellt användbart.

Forskarna nya versioner av produkten kan lagra samma mängd energi i 1/9^th volymen, eller endast 5 kubikmeter (176 kubikfot).

Svep för att rulla →

Djupgående analys

Denna högre prestanda uppnåddes genom att använda en fokuserad jonstråle för att sekventiellt avlägsna tunna lager av ec³-materialet. Dessa lager analyserades sedan med ett svepelektronmikroskop (FIB-SEM-tomografi).

Detta gjorde det möjligt för forskarna att rekonstruera en högupplöst bild av det ledande nanonätverket. De upptäckte att det bildar ett “fraktal-liknande nät” som omger ec³-porerna, vilket möjliggör att elektrolyten tränger in och att ström kan flöda genom systemet.

Med detta överlägsna analytiska verktyg fortsatte forskarteamet att experimentera med olika elektrolyter och deras koncentrationer för att se hur de påverkade energilagringstätheten.

“Vi fann att det finns ett brett spektrum av elektrolyter som kan vara livskraftiga kandidater för ec³.

Detta inkluderar till och med havsvatten, vilket kan göra detta till ett bra material för användning i kust- och marinapplikationer, kanske som stödstrukturer för havsbaserade vindkraftverk.”

Damian Stefaniuk – EC³ Hub forskningsvetenskapsman

De mätte att organiska elektrolyter, särskilt de som kombinerade kvartära ammoniumsalter som finns i vardagsprodukter som desinfektionsmedel, presterade bäst när de blandades med acetonitril, en klar, ledande vätska som ofta används i industrin.

Bättre tillverkning av betongbatterier

Tidigare krävde den använda metoden att härda ec³-elektroderna och sedan blötlägga dem i elektrolyt. Istället upptäckte de att de kunde tillsätta elektrolyten direkt till blandningsvattnet.

Detta var avgörande för att gjuta tjockare elektroder som lagrade mer energi.

Som en demonstration av denna teknik byggde teamet en miniatyr ec³-betongbåge för att visa hur strukturell form och energilagring kan fungera tillsammans.

Den fungerade på 9 volt, och bågen stödde sin egen vikt och ytterligare belastning samtidigt som den drev en LED-lampa.

Automatisk övervakning av strukturell integritet

Ett överraskande fenomen inträffade när de ökade laddningen på testbågen. Vid någon tidpunkt började lampan flimra, vilket speglade att betongen började skadas och energilagringen misslyckades.

Detta visar på strukturell skada trots att inga synliga sprickor finns. En sådan kapacitet kan vara mycket användbar i verkliga byggnader.

“Det kan finnas en form av självövervakningskapacitet här. Om vi tänker på en ec³-båge i arkitektonisk skala, kan dess output variera när den påverkas av en stressfaktor som starka vindar.

Vi kan kanske använda detta som en signal för när och i vilken grad en struktur är stressad, eller övervaka dess övergripande hälsa i realtid.”

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

Självvärmande betong

Denna betongdesign kan inte bara lagra energi, utan har också högre värmeledningsförmåga. Som ett resultat kan den hjälpa till att smälta is som har lagts på den, och har redan använts för detta ändamål i Sapporo, Japan, vilket representerar ett potentiellt alternativ till saltning.

Energi som lagras och sedan omvandlas till värme kan också användas för att smälta is på vägar, trottoarer och gångvägar.

Framtiden för betongbatterier och energilagring

Hittills har storskaliga batterier främst föreställts som värmebatterier, vätgaslagring eller batterier som använder lågt kostade material som natrium, järn eller aluminium, för att ersätta de dyrare litium/kobolt/nickel i litiumjonbatterier.

Men om vi ska skala upp batterilagring för att helt driva den industrialiserade civilisationen med solenergi, kan ett mer allmänt material som betong vara idealiskt.

För det första använder det ännu färre sällsynta material, eftersom även batterier med alternativ kemi fortfarande kräver mycket koppar, till exempel.

För det andra kan det också integreras mer sömlöst i vardagliga urbana landskap och konstruktioner.

Teamet arbetar redan med tillämpningar som parkeringsplatser och vägar som kan ladda elfordon, samt hem som kan fungera helt utan nätet.

Eftersom den resulterande betongen har samma strukturella integritet som vanlig betong, kan det vara meningsfullt att bara använda den istället, och helt undvika behovet av extra utrymme och byggprocess för batteriparker.

“Genom att kombinera modern nanovetenskap med en gammal byggsten i civilisationen öppnar vi en dörr till infrastruktur som inte bara stödjer våra liv, den driver dem.”

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

Investera i hållbart cement

Som en av världens ledande cementproducenter kommer CRH att vara avgörande för att göra cementkonstruktion till en mer hållbar industri. Det är nummer 1 i total volym av byggmaterial som levereras både på den amerikanska och europeiska marknaden.

Företaget är aktivt i 28 länder och 3 390 platser, med 78 500 anställda, där CRH Americas står för 65 % av dess globala försäljning.

Källa: CRH

Företaget förväntar sig att robusta investeringar från västerländska regeringar i infrastruktur kommer att hjälpa till att växa sin verksamhet. Trenderna med återindustrialisering och återföring av högteknologisk tillverkning bör också hjälpa.

CRH:s hållbarhets- och avkarboniseringsstrategi

CRH har gjort betydande framsteg inom hållbarhet med en rad initiativ:

• Det är den största återvinnaren i Nordamerika, med 43,9 miljoner ton avfall och biprodukter från andra industrier återvunna år 2023.
• Det minskade sina CO2-utsläpp med 8 % år 2023, tack vare användning av 36 % alternativa bränslen i sina cementverk.
• Det siktar på en minskning av utsläppen med 30 % till 2030 (jämfört med utsläppen 2021).

Detta är lovvärt i sig, men kan ses som för lite, för sent.

Lyckligtvis är CRH också en drivkraft för mer grundläggande förändringar i branschen. Noterbart, det har investerat 75 M$ i lågkoldioxidcementföretaget Sublime, tillsammans med den europeiska betongjätten Holcim.

Sublime Systems grundades ur MIT år 2020 för att använda en elektrolysator för att producera cement vid rumstemperatur, vilket ersätter energikrävande och fossila bränsleintensiva ugnar. Det möjliggör också användning av kalciumkällor som insatsmaterial, vilket undviker utsläpp av CO2 från kalkstensinsats.

Sublimes första kommersiella anläggning i Holyoke, Massachusetts, förväntas öppna så tidigt som 2026. Om den visar sig framgångsrik kan den bli den verkliga spelväxlaren för cementindustrin och öppna vägen för skalbar lågutsläppsbetong.

“Sublime är en disruptiv kraft inom cementtillverkning. Dess unika teknik genomsyrar hela produktionsprocessen, från användning av ren el till koldioxidfria råmaterial. Vi är entusiastiska över dess potential och glada över att samarbeta för att föra den till marknaden i stor skala. Denna investering är helt i linje med Holcims strategi att påskynda avkarboniseringen av byggsektorn genom att skala upp de mest innovativa teknologierna.”

Officer Nollaig Forrest – Holcims chef för hållbarhet

CRH har också investerat i andra avkarboniserings- och hållbarhetsstartups:

• 23,7 M€ i Cool Planet Technologies, som utvecklar koldioxidavskiljningslösningar för industrier som traditionellt har varit svåra att avkarbonisera.
• 34,7 M$ av CRH och andra investerare i Carbon Upcycling Technologies, som använder en helt elektrisk mineraliseringslösning för att permanent lagra CO2 i industriella biprodukter och mineraler, såsom cement, plast, konsumentprodukter, gödningsmedel och läkemedel.
• AICrete, en ‘recipe-as-a-service’-plattform som samarbetar med lokala betongproducenter, optimerar lokala material och minimerar mängden cement som används med AI-analyser, vilket minskar både CO2-avtrycket och kostnaden för betongproduktion.
• FIDO AI:s Series B-finansiering är en startup som använder AI för att minska vattenförbrukningen och öka vattenbesparingar.

Sammanfattningsvis är CRH en lönsam ledare inom betongindustrin och förbereder sig mycket aktivt för avkarboniseringen av branschen, både direkt i befintliga anläggningar och genom att vara en huvudleverantör av kapital till innovativa startups som skapar nästa generation av cement- och betongproduktions teknologi.

Senaste nyheter och utveckling för CRH Plc (CRH)-aktier