Бетонът в основите на сградите ни може да се окаже средство за съхранение на електричество, достатъчно да ни осигури енергийна самодостатъчност
(снимка: CC0 Public Domain)
Бетонът е навярно най-често използваният строителен материал в света. С малко промени той може да се използва като хранилище за енергия. Така всяка къща ще се превърне в гигантска батерия.
На лабораторна маса в Кеймбридж, Масачузетс, купчина полирани цилиндри от черен бетон стоят в съд с течност, оплетени в кабели. За страничния наблюдател това е странно изкуство. Но тогава идва лаборантът Дамян Стефанюк и натиска едно копче. Блоковете са свързани към светодиод – и лампичката примигва и светва трайно.
„Първоначално не го вярвах”, казва Стефанюк, описвайки първия път, когато диодът е светнал. „Мислех, че не съм изключил външния източник на захранване и затова светодиодът свети. Беше прекрасен ден. Поканихме студенти и професори да дойдат и да видят. В началото и те не повярваха, че работи.”
Какво да не работи?! Тази безобидна буца бетон може да представлява бъдещето на съхранението на енергия. Тя е батерия.
Най-популярните възобновяеми енергийни източници ни осигуряват ток от слънцето и вятъра. Но все пак слънцето не винаги грее, вятърът не винаги духа и дори реките не винаги текат достатъчно силно, за да разчитаме, че ВЕЦ работят равномерно. Да, повечето от възобновяемите енергийни източници са непостоянни. А това е проблем.
Батериите и техните особености
Възможността да съхраняваме тока в батерии не е новост. Но батериите разчитат на материали като литий, който е в много по-малко количество, отколкото ще е необходимо, за да може индустрията да отговори на търсенето, създадено от стремежа на света да декарбонизира своите енергийни и транспортни системи.
В света има 101 литиеви мини и икономическите анализатори са песимисти относно способността на тези рудници да се справят с нарастващото глобално търсене. Екологичните допълват пейзажа: добивът на литий вреди много на екосистемите. Щетите надминават ползите от преминаването към възобновяеми енергийни източници.
Точно тук се намесват Стефанюк и неговият бетон. Младият изследовател и колегите му от Масачузетския технологичен институт (MIT) са намерили начин да създадат устройство за съхранение на енергия, известно като суперкондензатор, от три евтини материала – вода, цимент и черен въглерод.
Суперкондензаторите са много ефективни при съхраняване на енергия, но се различават от батериите драстично. Те могат да се зареждат много по-бързо от литиево-йонна батерия. Не страдат от същите нива на деградация и намаляване на производителността. Но суперкондензаторите освобождават енергията, която съхраняват, доста бързо. А това ги прави по-малко полезни в устройства като мобилни телефони, лаптопи или електрически автомобили, където е необходимо стабилно снабдяване с енергия за продължителен период от време.
Въпреки това, според Стефанюк, въглеродно-циментовите суперкондензатори могат се окажат важни за декарбонизиране на световната икономика. „Ако може да се мащабира, технологията може да помогне за решаването на важен проблем – съхраняването на възобновяема енергия”, казва той.
Приложения
Изследователят и неговите колеги от Масачузетския технологичен институт и Института Wyss за биологично инженерство на Харвардския университет предвиждат няколко приложения за своите суперкондензатори.
Едно от тях може да бъде да създаването на пътища, които съхраняват слънчева енергия и след това я освобождават, за да зареждат безжично електрически автомобили, докато колите се движат по пътя. Бързото освобождаване на енергия от въглеродно-циментовия суперкондензатор ще позволи на превозните средства бързо да увеличат пробега си.
Друго приложение е създаването на енергосъхраняващи основи на къщи. Представете си „да има стени, или основи, или колони, които са активни не само в поддържането на конструкцията, но и в съхраняването на електричество”, казва Стефанюк.
Реалистично ли е?
Е, все още е рано. Засега бетонният суперкондензатор може да съхранява малко под 300 ватчаса на кубичен метър – достатъчно, за да захранва 10-ватова LED крушка за 30 часа.
Изходната мощност „може да изглежда слаба в сравнение с конвенционалните батерии, [но] основа с 30-40 кубични метра (1060-1410 кубически фута) бетон може да бъде достатъчна, за да отговори на ежедневните енергийни нужди на къща”, казва Стефанюк. „Като се има предвид масовото използване на бетон в световен мащаб, този материал има потенциала да бъде силно конкурентен и полезен при съхранение на енергия.”
Стефанюк и колегите му първоначално доказаха концепцията, като създадоха от въпросния материал 1V суперкондензатори с размер на монета. След това ги свързаха последователно, за да захранват 3V LED. След това разшириха инсталацията още, за да произведат 12V суперкондензатор. Стефанюк дори успя да използва по-големи версии на суперкондензатора за захранване на ръчна конзола за игри.
Сега изследователският екип планира да изгради по-големи версии, включително една с размер до 45 кубически метра. Тя би трябвало да може да съхранява около 10kWh енергия, необходима за захранване на къща за един ден.
Как работи това чудо?
Суперкондензаторът работи благодарение на необичайното свойство на вложените в материала сажди – те са силно проводими. Това означава, че когато въглеродните елементи се комбинират с циментов прах и вода, се получава вид бетон, който съдържа мрежи от проводящ материал.
По принцип кондензаторите се състоят от две проводими пластини с мембрана между тях. В този случай и двете плочи са направени от въглероден цимент, който е напоен с електролитна сол – калиев хлорид.
Когато се приложи електрически ток към плочите, положително заредените плочи натрупват отрицателно заредени йони от калиевия хлорид. И тъй като мембраната предотвратява обмена на заредени йони между плочите, разделянето на зарядите създава електрическо поле.
Тъй като суперкондензаторите могат да натрупат големи количества заряд много бързо, това може да направи устройствата полезни за съхраняване на излишната енергия, произведена от непостоянни възобновяеми източници като вятъра и слънцето. Потенциалът на технологията е огромен точно в това направление, защото в момента цялата ВЕИ индустрия се бори в проблема как да съхранява електричеството, добито от вятър и слънце, до момента, в който то ще е нужно на потребителите.
Енергосъхраняващият бетон може да се окаже и в основата на мечтата на все повече хора да живеят „извън мрежата”. Подобен дом може да използва слънчеви панели на покрива и цимент-батерия, за да постигне енeргийна самодостатъчност.