Beton Kapasitörler: Enerji Depolamanın Geleceği

Beton kapasitörlerde enerji depolama

Enerji depolama söz konusu olduğunda ilgi çoğunlukla pillere yöneliyor. Bir dönem odak, sürekli gelişen lityum iyon teknolojisindeydi; bugün ise sodyum iyon, katı hâl ve diğer alternatif pil kimyaları da geliştiriliyor veya ticarileşiyor.

Bu pillerin tümü elektriği kimyasal biçimde depolar ve elektrik yükünü taşımak için genellikle metal iyonları kullanır.

Ancak elektriği depolamanın tek yolu bu değildir. Bir diğer seçenek süperkapasitördür.

Piller yükü metal iyonları içinde depolarken süperkapasitörler ve ultrakapasitörler elektrik yükünü iletken bir malzemenin yüzeyinde tutar.

Bu temel fark, kapasitörlerin pillere kıyasla çalışma biçimini değiştirir. Enerji yüzeyde bulunduğu için çok hızlı kullanılabilir; böylece son derece hızlı şarj ve deşarj döngüleri mümkün olur. Piller ise gerekli kimyasal reaksiyonların hızıyla sınırlıdır.

Kapasitörler şimdiye kadar niş bir ürün olarak kaldı; pillerden daha az yük depolar ve daha pahalı malzemeler gerektirdiği için çoğu zaman daha maliyetlidir.

MIT’deki dört araştırmacının geliştirdiği beton tabanlı kapasitörler bu durumu değiştirebilir ve sonunda binalarla yolları dev pillere dönüştürebilir.

Araştırmacılar son tasarımlarını PNAS dergisinde “Mimari enerji depolaması için yüksek enerji yoğunluklu karbon-çimento süperkapasitörleri” başlığıyla yayımladı.

Kapasitörlerin kullanım alanları

Kapasitörlerin pillere göre düşük kapasitesi, yüksek dayanıklılıklarına rağmen büyük ölçekli veya uzun süreli depolamada kullanılmalarını sınırladı.

Buna karşılık, çok hızlı yük değişimlerini ve yüksek voltajı zarar görmeden karşılayabilmeleri, bir anda büyük miktarda enerjinin üretildiği veya gerektiği uygulamalarda avantaj sağlar.

Süperkapasitörler otomobil, tren, vinç ve asansörlerde kısa süreli depolama, rejeneratif frenleme ve ani güç sağlama amacıyla kullanılır.

Toplam enerji her zaman çok yüksek olmasa da yoğunluk ve hız yüksektir.

Elektrik şebekelerinde süperkapasitörler birkaç saniyeden birkaç dakikaya uzanan güç boşluklarını kapatmada etkilidir ve hızla yeniden şarj edilebilir.

Beton tabanlı kapasitörlerin geliştirilmesi

Betonun enerji depolamasını sağlamak

Pillerde kapasiteyi genellikle farklı elektrokimyasal reaksiyonlar arasındaki enerji farkı ve kullanılabilir reaktif metal miktarı sınırlar.

Kapasitörlerde temel sınır malzemenin toplam yüzey alanıdır. Bu nedenle en gözenekli malzemeler çok daha fazla yük taşıyabilir.

Birden çok bileşenden oluşan heterojen malzemeler ile çok sayıda gözenek ve boşluk içeren polimerleşmiş malzemeler bu iş için çoğu zaman en uygunudur.

MIT araştırmacıları 2023’te, karmaşık mikroskobik yapısı teorik olarak kapasitöre dönüştürülebilecek betonun potansiyelini incelemişti.

Çimento, su, nano ölçekli karbon siyahı ve elektrolitleri birleştirerek elektron ileten karbon betonu ec³’ü oluşturdular.

Ec³, betonun içinde elektriği depolayıp iletebilen bir karbon nanonetwork içerir.

Betonun bolluğu

Çimento ve beton, yıllık 1,7 milyar metreküp ve 4,1 milyar tonla dünyada en çok üretilen malzemelerdir; kum ve çelik dâhil tüm diğer malzemeleri aşarlar.

Dünya betonunun çok küçük bir bölümünü bile enerji depolamaya dönüştürmek, evlerde, ofislerde ve şehirlerde depolama biçimini kökten değiştirebilir.

“Betonun sürdürülebilirliğinin anahtarlarından biri; enerji depolama, kendi kendini onarma ve karbon tutma gibi işlevleri birleştiren çok işlevli beton geliştirmektir.

Beton zaten dünyanın en çok kullanılan yapı malzemesi. Bu ölçeği başka yararlar üretmek için neden kullanmayalım?”

Admir Masic – MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği doçenti

Ec³ performansının geliştirilmesi

Enerji yoğunluğunu artırmak

2023 prototipi, ortalama bir evin günlük ihtiyacını karşılamak için yaklaşık bir bodrumda kullanılan miktar kadar, 45 metreküp ec³ gerektiriyordu.

İlgi çekici olsa da maliyet ve uygulama sorunları bu hacmi ticari açıdan elverişsiz kılıyordu.

Yeni sürümler aynı enerjiyi hacmin dokuzda birinde, yalnızca 5 metreküpte depolayabiliyor.

Kaydırmak için yana sürükleyin →

Derinlemesine analiz

Yüksek performans, odaklanmış iyon demetiyle ec³ malzemesinden art arda ince tabakalar kaldırılarak elde edildi. Tabakalar taramalı elektron mikroskobu ve FIB-SEM tomografisiyle incelendi.

Böylece iletken nanonetwork’ün yüksek çözünürlüklü görüntüsü oluşturuldu. Ec³ gözeneklerini saran fraktal benzeri ağ, elektrolitin içeri girmesini ve akımın sistemden geçmesini sağlıyor.

Bu araçla ekip, farklı elektrolitlerin ve yoğunluklarının enerji depolama yoğunluğuna etkisini test etti.

“Ec³ için uygun olabilecek geniş bir elektrolit yelpazesi bulunduğunu gördük.

Buna deniz suyu da dâhil. Bu nedenle malzeme, açık deniz rüzgâr çiftliklerinin destek yapıları gibi kıyı ve deniz uygulamalarında kullanılabilir.”

Damian Stefaniuk – EC³ Hub araştırmacısı

Dezenfektanlarda da bulunan kuaterner amonyum tuzlarını içeren organik elektrolitler, berrak ve iletken endüstriyel sıvı asetonitrille karıştırıldığında en iyi sonucu verdi.

Beton pillerin daha iyi üretilmesi

Önceki yöntemde ec³ elektrotları kürlenip elektrolite batırılıyordu. Araştırmacılar elektrolitin doğrudan karışım suyuna eklenebileceğini keşfetti.

Bu, daha fazla enerji depolayan kalın elektrotların dökülmesi için gerekliydi.

Ekip teknolojiyi göstermek amacıyla yapısal biçimle enerji depolamanın birlikte çalışmasını sergileyen minyatür bir ec³ beton kemer yaptı.

9 voltla çalışan kemer, kendi ağırlığına ve ek yüke dayanırken bir LED lambayı besledi.

Yapısal bütünlüğün otomatik izlenmesi

Test kemerinin yükü artırıldığında ışık beklenmedik biçimde titremeye başladı. Bu, betonun zarar görmeye ve depolamanın zayıflamaya başladığını gösteriyordu.

Böylece görünür çatlaklar oluşmadan yapısal hasar anlaşılabiliyor; bu özellik gerçek binalarda çok yararlı olabilir.

“Burada bir tür öz izleme kapasitesi olabilir. Mimari ölçekte bir ec³ kemer, kuvvetli rüzgâr gibi bir etkiye maruz kaldığında çıkışı dalgalanabilir.

Bunu yapının ne zaman ve ne ölçüde zorlandığını gösteren bir sinyal olarak kullanabilir veya genel durumunu gerçek zamanlı izleyebiliriz.”

Admir Masic – MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği doçenti

Kendini ısıtan beton

Bu beton tasarımı elektriği depolamanın yanında yüksek ısı iletkenliğine de sahip. Üzerindeki buzu eritebilir ve Japonya’nın Sapporo kentinde tuzlamaya alternatif olarak bu amaçla kullanılmıştır.

Depolanan enerjinin ısı olarak açığa çıkarılması, yol, kaldırım ve yürüyüş yollarındaki buzu da eritebilir.

Beton pillerin ve enerji depolamanın geleceği

Şebeke ölçekli depolama şimdiye kadar çoğunlukla ısı bataryaları, hidrojen veya pahalı lityum, kobalt ve nikelin yerine sodyum, demir ya da alüminyum kullanan piller olarak düşünüldü.

Ancak güneş enerjisinin sanayileşmiş uygarlığı tamamen besleyebilmesi için depolama büyütülecekse, beton gibi her yerde bulunan bir malzeme ideal olabilir.

Öncelikle daha az nadir malzeme kullanır; alternatif kimyalı piller bile örneğin çok miktarda bakır gerektirir.

İkinci olarak, günlük kentsel çevreye ve yapılara çok daha doğal biçimde entegre edilebilir.

Ekip, elektrikli araçları şarj eden otopark ve yollar ile şebekeden tamamen bağımsız evler üzerinde çalışıyor.

Ortaya çıkan beton normal betonla aynı yapısal bütünlüğe sahip olduğundan doğrudan onun yerine kullanılabilir; pil parkları için ek alan ve inşaat gerekmez.

“Modern nanobilimi uygarlığın kadim bir yapı taşıyla birleştirerek yalnızca yaşamımızı destekleyen değil, ona enerji veren altyapının kapısını açıyoruz.”

Admir Masic – MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği doçenti

Sürdürülebilir çimentoya yatırım

Dünyanın önde gelen çimento üreticilerinden CRH, inşaatı daha sürdürülebilir hâle getirmede önemli rol oynayacak. Şirket hem ABD hem Avrupa’da sağlanan toplam yapı malzemesi hacminde birinci sırada.

28 ülkede 3.390 tesiste faaliyet gösteren şirketin 78.500 çalışanı bulunuyor; CRH Americas küresel satışların %65’ini oluşturuyor.

Şirket, Batılı hükümetlerin güçlü altyapı harcamalarının büyümeyi desteklemesini bekliyor. Yeniden sanayileşme ve ileri teknoloji üretiminin ülkeye geri taşınması da yardımcı olabilir.

CRH’nin sürdürülebilirlik ve karbonsuzlaşma stratejisi

• Kuzey Amerika’nın en büyük geri dönüştürücüsü olan şirket, 2023’te 43,9 milyon ton atık ve sanayi yan ürünü geri dönüştürdü.
• Çimento tesislerinde %36 alternatif yakıt kullanarak 2023’te CO2 emisyonlarını %8 azalttı.
• 2030’a kadar emisyonları 2021’e kıyasla %30 azaltmayı hedefliyor.

Bunlar övgüye değer olsa da yetersiz ve gecikmiş olarak görülebilir.

CRH aynı zamanda daha köklü değişimleri destekliyor. Holcim ile birlikte düşük karbonlu çimento şirketi Sublime’a 75 milyon dolar yatırım yaptı.

2020’de MIT’den doğan Sublime Systems, çimentoyu ortam sıcaklığında elektrolizörle üreterek enerji ve fosil yakıt yoğun fırınların yerini alıyor. Alternatif kalsiyum kaynakları kullanarak kireçtaşından kaynaklanan CO2 salımını da önlüyor.

Sublime’ın Holyoke, Massachusetts’teki ilk ticari tesisi 2026’da açılabilir. Başarılı olursa sektörü değiştirebilir ve düşük emisyonlu betonun ölçeklenmesini sağlayabilir.

“Sublime çimento üretiminde dönüştürücü bir güç. Teknolojisi temiz elektrikten karbonsuz hammaddelere kadar tüm süreci değiştiriyor. Potansiyelinden heyecan duyuyor ve çözümü büyük ölçekte pazara taşımak için ortaklık kurmaktan memnuniyet duyuyoruz. Bu yatırım, Holcim’in en yenilikçi teknolojileri ölçekleyerek inşaatı karbonsuzlaştırma stratejisiyle tamamen uyumludur.”

Nollaig Forrest – Holcim Sürdürülebilirlik Direktörü

CRH başka karbonsuzlaşma ve sürdürülebilirlik girişimlerine de yatırım yaptı:

• Karbonsuzlaştırılması zor sektörler için karbon yakalama çözümleri geliştiren Cool Planet Technologies şirketine 23,7 milyon avro.
• CO2’yi endüstriyel yan ürünler ve minerallerde kalıcı biçimde depolayan elektrikli mineralizasyon çözümüne sahip Carbon Upcycling Technologies şirketine CRH ve diğer yatırımcılardan 34,7 milyon dolar.
• Yerel üreticilerle çalışıp malzemeleri optimize eden, AI ile çimento miktarını, karbon ayak izini ve maliyeti azaltan “reçete hizmeti” platformu AICrete.
• Su tüketimini azaltmak ve tasarrufu artırmak için AI kullanan FIDO AI’ın B Serisi finansmanı.

Genel olarak CRH, hem mevcut tesislerinde doğrudan adımlar atarak hem de yeni nesil çimento ve beton teknolojileri geliştiren girişimlere sermaye sağlayarak sektörün karbonsuzlaşmasına aktif biçimde hazırlanan kârlı bir liderdir.

CRH Plc (CRH) hissesiyle ilgili son haberler ve gelişmeler