Beton Kapasitörler: Enerji Depolamanın Geleceği

Beton Kapasitörlerde Enerji Depolama

Enerji depolama söz konusu olduğunda, tüm dikkatler pillere odaklanıyor. Bir zamanlar çoğunlukla sürekli gelişen lityum iyon teknolojisine odaklanılırken, artık sodyum iyon, katı hal ve diğer alternatif pil kimyasalları da geliştiriliyor veya ticari aşamaya ulaşıyor.

Her durumda, bu piller elektriği kimyasal bir formda depolar ve genellikle elektrik yükü değişimini taşımak için metal iyonları kullanır.

Kaynak: Bilim Konuşalım

Ancak elektriği depolamanın tek yolu bu değil. Bir diğer seçenek de süper kapasitör kullanmaktır.

Elektrik yükünü metal iyonlarından oluşan bir kütlede depolayan pillerin aksine, süperkapasitörler ve ultrakapasitörler elektrik yükünü iletken bir malzemenin yüzeyinde tutarlar.

Kaynak: Sinovoltaikler

Enerji depolama konseptindeki bu temel fark, kapasitörlerin pillere kıyasla çalışma şeklini değiştirir. Enerji, malzemenin yüzeyinde mevcut olduğundan çok hızlı bir şekilde harekete geçirilebilir ve bu da ultra hızlı şarj ve deşarj döngülerine olanak tanırken, piller gerekli kimyasal reaksiyonların hızı nedeniyle yavaşlar.

Kondansatörler şimdiye kadar çoğunlukla niş bir üründü, çünkü pillerden daha az yük tutuyorlardı ve daha pahalı malzemeler gerektirdiklerinden genellikle daha pahalıydılar.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki (MIT) dört araştırmacının geliştirdiği beton bazlı kapasitörlerle bu durum değişebilir; bu kapasitörler, nihayetinde binaları ve yolları dev pillere dönüştürmek için kullanılabilir.

Son tasarımlarını saygın bilimsel dergi Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)'da "Mimari enerji depolama için yüksek enerji yoğunluklu karbon-çimento süper kapasitörler anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Kapasitörlerin Uygulamaları

Kondansatörlerin pillerle karşılaştırıldığında düşük şarjlı olması, olağanüstü dayanıklılıklarına rağmen, büyük veya uzun vadeli enerji depolamada kullanılmalarını şimdiye kadar engellemiştir.

Ancak elektrik yükündeki çok hızlı değişimleri ve çok daha yüksek voltajları herhangi bir hasara uğramadan idare edebilme yetenekleri, onları çok fazla enerjinin bir kerede üretildiği veya ihtiyaç duyulduğu uygulamalar için kullanışlı hale getirir.

Örneğin, süper kapasitörler otomobillerde, trenlerde, vinçlerde ve asansörlerde kısa süreli enerji depolama, rejeneratif frenleme veya patlama modu güç dağıtımı için kullanılır.

Toplam enerji çok yüksek olmasa da yoğunluk ve hız öyle.

Elektrik şebekeleri ve enerji depolama uygulamaları için süper kapasitörler, birkaç saniyeden birkaç dakikaya kadar süren ve hızlı bir şekilde şarj edilebilen güç boşluklarını kapatmada en etkili olanlardır.

Beton Tabanlı Kapasitörlerin Geliştirilmesi

Beton Depoları Enerji Üretiyor

Piller için, farklı elektrokimyasal reaksiyonlar arasındaki enerji farkı ve mevcut reaktif metal miktarı genellikle kapasiteyi sınırlar.

Kondansatörler için en büyük sınırlama, malzemenin toplam yüzey alanıdır. Bu nedenle, genellikle en gözenekli malzemeler çok daha fazla yük taşır.

Bu nedenle, heterojen malzemeler (birden fazla elementten oluşan) çoğu zaman en iyisidir, ayrıca daha basit malzemelerin polimerizasyonu sonucu oluşan, içinde çok sayıda gözenek ve alveol bulunan herhangi bir malzeme de en iyisidir.

MIT araştırmacıları, teoride bir kondansatöre dönüştürülebilen, karmaşık bir mikroskobik yapıya sahip bir malzeme olan betonun potansiyelini 2023 yılında keşfetmişlerdi.

Bu, çimento, su, ultra ince karbon siyahı (nano ölçekli parçacıklarla) ve elektrolitler kullanılarak elde edildi. Birlikte, elektron ileten karbon betonu (ec³, "ec-cubed" olarak telaffuz edilir) oluşturdular.

ec³, betonun içinde elektriği depolayabilen ve iletebilen bir “karbon nanoağı” içerir.

Beton Bolluğu

Çimento ve beton, dünyada en çok üretilen malzemeler olup, 1.7 milyar metreküp ve 4.1 milyar ton toplam hacme ve kütleye ulaşarak, kum ve çelik de dahil olmak üzere diğer tüm malzemelerden daha fazla üretim yapmaktadır.

Kaynak: Görsel Kapitalist

Sonuç olarak, dünyadaki betonun çok küçük bir kısmını bile enerji depolamaya dönüştürmenin, evlerimizde, ofislerimizde ve şehirlerimizde enerji depolama şeklimizi kökten değiştirebileceği anlamına geliyor.

"Betonun sürdürülebilirliğinin anahtarı, enerji depolama gibi işlevleri entegre eden 'çok işlevli betonun' geliştirilmesidir. kendi kendini onarma, ve karbon tutma.

Beton halihazırda dünyanın en çok kullanılan inşaat malzemesi, öyleyse neden bu ölçekten yararlanıp başka faydalar yaratmayalım?”

hayran Masic - AMIT'de İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) doçenti.

ec³ Performanslarını İyileştirme

Enerji Yoğunluğunu Artırmak

Orijinal 2023 prototipi, tipik bir bodrum katında kullanılan beton miktarına yakın olan 45 metreküp ec³'ün ortalama bir evin günlük ihtiyaçlarını karşılayacak kadar enerji yoğunluğuna sahipti.

İlginç olmakla birlikte, maliyet ve pratiklik sorunları bu sayının ticari olarak kullanılmasını pek mümkün kılmıyor.

Araştırmacıların ürünün yeni versiyonları aynı miktarda enerjiyi 1/9'da depolayabiliyor^th Hacim veya sadece 5 metreküp (176 fit küp).
Kaydırmak için kaydırın →

Derinlemesine Analiz

Bu daha yüksek performans, ec³ malzemesinin ardışık ince katmanlarını çıkarmak için odaklanmış bir iyon demeti kullanılarak elde edildi. Bu katmanlar daha sonra bir taramalı elektron mikroskobu (FIB-SEM tomografisi) ile analiz edildi.

Bu, araştırmacıların iletken nanoağın yüksek çözünürlüklü bir görüntüsünü yeniden oluşturmalarını sağladı. ec³ gözeneklerini çevreleyen "fraktal benzeri bir ağ" oluşturduğunu keşfettiler; bu da elektrolitin sisteme sızmasını ve akımın sistemden geçmesini sağlıyor.

Araştırma ekibi, bu üstün analitik araç sayesinde farklı elektrolitler ve bunların konsantrasyonları üzerinde deneyler yaparak bunların enerji depolama yoğunluğunu nasıl etkilediğini görmeye çalıştı.

“EC³ için uygun aday olabilecek çok çeşitli elektrolitlerin olduğunu bulduk.

Bu, deniz suyunu bile içeriyor ve bu da onu kıyı ve deniz uygulamalarında, belki de açık deniz rüzgar çiftlikleri için destek yapıları olarak kullanılabilecek iyi bir malzeme haline getirebilir."

Damian Stefaniuk - EC³ Hub araştırma bilimcisi

Özellikle dezenfektanlar gibi günlük ürünlerde bulunan kuaterner amonyum tuzlarını birleştiren organik elektrolitlerin, endüstride sıklıkla kullanılan berrak ve iletken bir sıvı olan asetonitril ile karıştırıldığında en iyi performansı gösterdiğini ölçtüler.

Beton Pillerinin Daha İyi Üretimi

Daha önce kullanılan yöntem, ec³ elektrotlarının kürlenmesi ve ardından elektrolit içine batırılmasıydı. Bunun yerine, elektroliti doğrudan karıştırma suyuna ekleyebileceklerini keşfettiler.

Bu, daha fazla enerji depolayan daha kalın elektrotların dökümünde önemliydi.

Bu teknolojinin bir göstergesi olarak ekip, yapısal formun ve enerji depolamanın nasıl birlikte çalışabileceğini göstermek için minyatür bir ec³ beton kemer inşa etti.

9 voltta çalışan kemer, bir LED ışığı çalıştırırken kendi ağırlığını ve ek yükü de destekliyordu.

Yapısal Bütünlüğün Otomatik İzlenmesi

Test kemerindeki yük artırıldığında şaşırtıcı bir olay meydana geldi. Bir noktada ışık titremeye başladı ve beton hasar görmeye ve elektrik depolama sistemi arızalanmaya başladı.

Görünürde çatlak olmasa bile, yapısal hasarın belirginleşmesine neden olur. Böyle bir kapasite, gerçek binalarda çok kullanışlı olabilir.

"Burada bir tür kendi kendini izleme kapasitesi olabilir. Mimari ölçekte bir ec³ kemerini düşünürsek, şiddetli rüzgarlar gibi bir stres faktöründen etkilendiğinde çıktısı dalgalanabilir.

Bunu, bir yapının ne zaman ve ne ölçüde strese maruz kaldığına dair bir sinyal olarak kullanabilir veya genel sağlığını gerçek zamanlı olarak izleyebiliriz."

hayran Masic - AMIT'de İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) doçenti.

Kendiliğinden Isınan Beton

Bu beton tasarım sadece enerji depolamakla kalmıyor, aynı zamanda daha yüksek ısı iletkenliğine de sahip. Sonuç olarak, üzerinde biriken buzun erimesine yardımcı olabiliyor ve bu amaçla Japonya'nın Sapporo kentinde halihazırda kullanılmış olup, tuzlamaya potansiyel bir alternatif sunuyor.

Depolanan ve ısı olarak geri kazanılan enerji, yollardaki, kaldırımlardaki ve yürüyüş yollarındaki buzları eritmek için de kullanılabilir.

Beton Pillerin ve Enerji Depolamanın Geleceği

Şimdiye kadar, kamusal ölçekteki piller çoğunlukla ısı pilleri, hidrojen depolama pilleri veya lityum iyon pillerin daha pahalı lityum/kobalt/nikelinin yerini alacak sodyum, demir veya alüminyum gibi düşük maliyetli malzemeler kullanan piller olarak düşünülüyordu.

Ancak, endüstriyel medeniyetin enerji ihtiyacını güneş enerjisiyle karşılayacak şekilde pil depolama kapasitesini artırmak istiyorsak, beton gibi daha yaygın bir malzeme ideal olabilir.

Birincisi, daha az nadir bulunan malzemeler kullanıyor, örneğin alternatif kimya pilleri bile hâlâ çok miktarda bakır gerektiriyor.

İkinci olarak, gündelik kentsel peyzajlara ve yapılara daha sorunsuz bir şekilde entegre edilebilir.

Ekip halihazırda elektrikli araçları şarj edebilecek park alanları ve yollar ile şebekeden tamamen bağımsız çalışabilen evler gibi uygulamalar üzerinde çalışıyor.

Elde edilen betonun normal betonla aynı yapısal bütünlüğe sahip olması nedeniyle, bunun yerine onu kullanmak ve akü parklarının ekstra alan ve inşaat prosedürü ihtiyacını tamamen ortadan kaldırmak mantıklı olabilir.

"Modern nanobilimi medeniyetin kadim yapı taşlarından biriyle birleştirerek, yalnızca hayatımızı desteklemekle kalmayıp, aynı zamanda ona güç veren bir altyapıya kapı açıyoruz."

hayran Masic - AMIT'de İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) doçenti.

Sürdürülebilir Çimentoya Yatırım

CRH Plc