Fundamenty jak kondensator

Prosta, ale innowacyjna technologia została opisana w czasopiśmie PNAS, w artykule profesorów MIT Franza-Josefa Ulma, Admira Masica i Yang-Shao Horna oraz innych uczonych z MIT i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering. Celem badań było znalezienie taniej alternatywy dla dostępnych obecnie na rynku magazynów energii.

Kondensator wykonany z cementu, sadzy i wody mógłby zapewnić tanie magazynowanie energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii. 

Ma to być rozwiązanie problemu dostępu do stabilnej energii i szansa na odciążenie systemu energoelektrycznego.

Naukowcy z MIT, którzy opracowali system, twierdzą, że ich superkondensator mógłby zostać budulcem dla betonowego fundamentu domu. Taka bateria mogłaby przechowywać energię przez cały dzień. Zastosowanie tych składników do budowy fundamentów domów nie wpływa na końcowe koszty budowy, a wymagana wytrzymałość konstrukcyjna zostaje zachowana. Naukowcy twierdzą, że ta technologia nadaje się również do budowy betonowych jezdni, które mogłyby zapewnić indukcyjne ładowanie samochodów elektrycznych podczas jazdy.

Sposób działania

Kondensatory to w zasadzie bardzo proste urządzenia, składające się z dwóch płytek przewodzących prąd elektryczny, zanurzonych w elektrolicie i oddzielonych membraną. Kiedy napięcie jest przyłożone do kondensatora, dodatnio naładowane jony z elektrolitu gromadzą się na ujemnie naładowanej płytce, podczas gdy dodatnio naładowana płytka gromadzi jony naładowane ujemnie. Ponieważ membrana między płytkami blokuje migrację naładowanych jonów, to tak rozdzielone ładunki tworzą pole elektryczne między płytami, a sam kondensator zostaje naładowany. Dwie płytki mogą utrzymywać ładunki przez długi czas, a następnie uwalniać je bardzo szybko w razie potrzeby. Określenie “superkondensatory” dotyczy kondensatorów zdolnych do przechowywania wyjątkowo dużych ładunków.

Ilość energii, jaką może zgromadzić kondensator, zależy od całkowitej powierzchni jego płyt przewodzących. Podstawą do funkcjonowania superkondensatorów opracowanych przez zespół z MIT jest metoda wytwarzania materiału na bazie cementu o wyjątkowo dużej porowatości, zapewniającej gęstą sieć wzajemnych połączeń wewnątrz użytego materiału przewodzącego. 

Naukowcom udało się to osiągnąć, dzięki użyciu w mieszance z betonem i wodą sadzy, która jest wysoce przewodząca. Woda naturalnie wypełnia rozgałęzioną sieć otworów w strukturze, gdy reaguje z cementem, a węgiel (pochodzący z sadzy) migruje do tych przestrzeni, tworząc struktury przypominające druty w stwardniałym cemencie. Struktury te mają kształt podobny do wielu połączonych ze sobą fraktali, z większymi gałęziami wyrastającymi z mniejszych gałęzi. Takie połączenia ciągną się w nieskończoność. W taki sposób można uzyskać ogromną powierzchnię połączeń w stosunkowo małej objętości betonu. Materiał jest następnie moczony w standardowym elektrolicie takim jak chlorek potasu, który dostarcza naładowane jony gromadzące się w strukturach węglowych. Naukowcy odkryli, że dwie elektrody wykonane z tego materiału, oddzielone cienką przestrzenią lub warstwą izolującą, tworzą bardzo mocny superkondensator.

Dwie okładki kondensatora działają podobnie jak dwa bieguny akumulatora o równoważnym napięciu. Po podłączeniu kondensatora do źródła energii elektrycznej jony gromadzone są na jego okładkach. Po zakończeniu ładowania zgromadzony ładunek przepływa pomiędzy okładkami, by następnie zasilić instalację elektryczną w domu. Po ponownym podłączeniu do obciążenia ładowanie kondensatora jest możliwe od nowa. 

Sama technologia takiego wykonywania ścian i fundamentów pochodzi sprzed dwóch tysięcy lat, co sprawia, że jest jeszcze bardziej fascynująca w oczach naukowców. 

Gdy mieszanina zespala się i twardnieje, woda jest systematycznie pochłaniana w reakcjach hydratacji cementu. Ten proces zasadniczo wpływa na nanocząsteczki węgla ze względu na ich hydrofobową naturę. Z biegiem czasu węglowe cząsteczki sadzy w sposób samoistny zaczynają tworzyć zorganizowaną sieć połączeń na kształt przewodnika czy kabla przewodzącego prąd elektryczny.

Proces jest łatwy do odtworzenia w każdych warunkach, a wykorzystywane materiały są niedrogie i łatwo dostępne na całym świecie. Ilość potrzebnego węgla jest bardzo mała – stanowi on zaledwie 3 procent objętości mieszanki.

Możliwości opracowanej technologii

Zespół obliczył, że blok betonu o objętości 45 metrów sześciennych (odpowiada to sześcianowi o średnicy około 3,5 metra) z domieszką nanowęgla, – miałby wystarczającą pojemność do przechowywania około 10 kilowatogodzin energii. Jest to średnie dzienne zużycie energii elektrycznej w przeciętnym gospodarstwie domowym. Ponieważ beton zachowałby swoją wytrzymałość, dom z fundamentem wykonanym z tego materiału mógłby zmagazynować całą energię wytworzoną przez instalację fotowoltaiczną lub małą elektrownię wiatrową i pozwolić na jej wykorzystanie w dowolnym momencie. Ponadto superkondensatory można ładować i rozładowywać znacznie szybciej niż zwyczajne akumulatory.

Odkryto również, że istnieje kompromis między pojemnością magazynową materiału a jego wytrzymałością strukturalną. Dzięki dodaniu większej ilości sadzy, uzyskany superkondensator może magazynować więcej energii, ale beton jest nieco słabszy. Taka proporcja może być przydatna w zastosowaniach, w których beton nie odgrywa roli konstrukcyjnej lub w których pełny potencjał wytrzymałościowy betonu nie jest wymagany. W badaniach dowiedziono również, że w przypadku zastosowań takich jak fundamenty lub elementy konstrukcyjne turbiny wiatrowej najlepsza proporcją jest około 10 procent sadzy w mieszance.

Naukowcy twierdzą, że początkowe zastosowania tej technologii może dotyczyć izolowanych domów, budynków lub schronów znajdujących się z dala od sieci energetycznej, które mogłyby być zasilane przez panele słoneczne przymocowane do cementowych superkondensatorów.

System można z łatwością skalować, ponieważ zdolność magazynowania energii jest bezpośrednią funkcją objętości elektrod. Można przejść od elektrod o grubości 1 milimetra do elektrod o grubości 1 metra, a przez to, zasadniczo wpłynąć na pojemność magazynowania energii, od zdolności do oświetlenia diody LED przez kilka sekund do zasilania całego domu. W zależności od właściwości pożądanych dla danego zastosowania, system można dostroić również dostosowując skład mieszanki.

Źródło: MIT news