אנרגיה
קבלים מבטון: עתיד אגירת האנרגיה
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
אגירת אנרגיה בקבלים מבטון
בכל הנוגע לאגירת אנרגיה, כל תשומת הלב מרוכזת בסוללות. בעוד שבמשך תקופה היא התמקדה בעיקר בטכנולוגיית ליתיום-יון המשתפרת ללא הרף, כיום מפותחות או מגיעות לשלב המסחרי גם שיטות כימיות חלופיות לסוללות יון נתרן, מצב מוצק וסוגים אחרים של סוללות.
בכל המקרים, סוללות אלו אוגרות חשמל בצורה כימית, בדרך כלל באמצעות יונים מתכתיים כדי לשאת את שינוי המטען החשמלי.
מקור: בואו נדבר מדע
עם זאת, זו אינה הדרך היחידה שבה ניתן לאגור חשמל. אפשרות נוספת היא שימוש בסופר-קבל.
בניגוד לסוללות שאוגרות את המטען החשמלי במסה של יונים מתכתיים, סופר-קבלים ואולטרה-קבלים מחזיקים את המטען החשמלי על פני השטח של חומר מוליך.
מקור: סינוולטאיקה
הבדל מהותי זה בתפיסת אחסון האנרגיה משנה את אופן פעולתם של קבלים בהשוואה לסוללות. מכיוון שהאנרגיה זמינה על פני החומר, ניתן לגייס אותה במהירות רבה, מה שמאפשר מחזורי טעינה ופריקה מהירים במיוחד, בעוד שסוללות מואטות על ידי מהירות התגובות הכימיות הנדרשות.
קבלים עד כה היו בעיקר מוצר נישה, מכיוון שהם מחזיקים פחות מטען מסוללות, ולעתים קרובות יקרים יותר, מכיוון שהם דורשים חומרים יקרים יותר.
ייתכן שזה משתנה, עם פיתוח קבלים מבוססי בטון על ידי ארבעה חוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), אשר בסופו של דבר יוכלו לשמש להפיכת מבנים וכבישים לסוללות ענק.
הם פרסמו את העיצוב האחרון שלהם בכתב העת המדעי היוקרתי Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) תחת הכותרת "קבלי-על בצפיפות אנרגיה גבוהה של פחמן-צמנט לאחסון אנרגיה אדריכלי".
יישומי קבלים
הטעינה הנמוכה של קבלים בהשוואה לסוללות פגעה עד כה בשימוש בהם לאחסון אנרגיה גדול או ארוך טווח, למרות עמידותם המדהימה.
עם זאת, יכולתם להתמודד עם שינויים מהירים מאוד במטען חשמלי ובמתח גבוה בהרבה, מבלי לסבול נזק כלשהו, הופכת אותם לשימושיים עבור יישומים בהם מיוצרת או נדרשת אנרגיה רבה בבת אחת.
לדוגמה, סופר-קבלים משמשים במכוניות, רכבות, מנופים ומעליות, לאחסון אנרגיה לטווח קצר, בלימה רגנרטיבית או אספקת חשמל במצב פרץ (burst mode).
בעוד שהאנרגיה הכוללת אינה בהכרח כה גבוהה, העוצמה והמהירות כן.
עבור רשתות חשמל ויישומי אחסון אנרגיה, סופר-קבלים יעילים ביותר בגישור על פערים בהספק הנמשכים בין מספר שניות למספר דקות וניתנים לטעינה מהירה.
שיפור קבלים מבוססי בטון
ייצור בטון אוגר אנרגיה
עבור סוללות, הפרש האנרגיה בין התגובות האלקטרוכימיות השונות וכמות המתכת הריאקטיבית הזמינה בדרך כלל מגבילים את הקיבולת.
עבור קבלים, המגבלה העיקרית היא השטח הכולל של החומר. לכן, באופן כללי, החומרים הנקבוביים ביותר יישאו מטען רב יותר.
מסיבה זו, חומרים הטרוגניים (העשויים מיסודות מרובים) הם לרוב הטובים ביותר, כמו גם כל חומר שהוא תוצאה של פילמור של חומרים פשוטים יותר, עם נקבוביות רבות ונאדיות בפנים.
כבר בשנת 2023, חוקרי MIT חקרו את הפוטנציאל של בטון, חומר בעל מבנה מיקרוסקופי מורכב שניתן, תיאורטית, להפוך לקבל.
זה הושג באמצעות צמנט, מים, פחמן שחור דק במיוחד (עם חלקיקים ננומטריים) ואלקטרוליטים. יחד, הם יצרו את מה שנקרא בטון פחמן מוליך אלקטרונים (ec³, מבוטא "ec-cubed").
ec³ מכיל "ננו-רשת פחמן" בתוך הבטון שיכולה לאגור ולהוליך חשמל.
שפע בטון
מלט ובטון הם ללא ספק החומרים המיוצרים ביותר על פני כדור הארץ, ומגיעים לנפחים ולמסה כוללים של 1.7 מיליארד מטרים מעוקבים ו-4.1 מיליארד טון, גבוה יותר מכל חומר אחר, כולל חול ופלדה.
מקור: חזותית חזותית
כתוצאה מכך, משמעות הדבר היא שאפילו הפיכת חלק קטן מאוד מהבטון בעולם לאגירת אנרגיה עשויה לשנות באופן קיצוני את האופן שבו אנו אוגרים אנרגיה בבתים, במשרדים ובערים שלנו.
"מפתח לקיימות של בטון הוא פיתוח של 'בטון רב-תכליתי', המשלב פונקציונליות כמו אחסון אנרגיה, ריפוי עצמי, ו פליטת פחמן.
בטון הוא כבר עכשיו חומר הבנייה הנפוץ ביותר בעולם, אז למה לא לנצל את קנה המידה הזה כדי ליצור יתרונות נוספים?"
אדמיר מסיץ' -פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית (CEE) ב-MIT.
שיפור ביצועי ec³
הגברת צפיפות האנרגיה
האב טיפוס המקורי משנת 2023 היה צפוף מספיק מבחינה אנרגטית כך ש-45 מטרים מעוקבים של אק"ו, בערך כמות הבטון המשמשת במרתף טיפוסי, הספיקו כדי לענות על הצרכים היומיומיים של בית ממוצע.
למרות שזה מעניין, שאלות של עלויות ומעשיות הפכו את המספר הזה ללא באמת שמיש מבחינה מסחרית.
הגרסאות החדשות של החוקרים למוצר יכולות לאגור את אותה כמות אנרגיה ב-1/9th הנפח, או רק 5 מטרים מעוקבים (176 רגל מעוקב).
החלק כדי לגלול →
| טכנולוגיה | צפיפות אנרגיה | מהירות טעינה/פריקה | אורך חיים, משך חיים | חומרי מפתח |
|---|---|---|---|---|
| סוללת ליתיום יון | 150–250 וואט/ק"ג | דקות-שעות | ~2,000 מחזורים | ליתיום, קובלט, ניקל |
| Supercapacitor | 5–10 וואט/ק"ג | שניות | > 1,000,000 מחזורים | פחמן פעיל |
| קבל בטון (ec³) | ~50 וואט-שעה/ק"ג (צפוי) | שניות-דקות | > 100,000 מחזורים | צמנט, פחמן שחור, אלקטרוליט |
בניתוח מעמיק
ביצועים גבוהים יותר אלה הושגו באמצעות שימוש בקרן יונים ממוקדת להסרת שכבות דקות ברצף של חומר ה-ec³. שכבות אלו נותחו לאחר מכן באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (טומוגרפיה FIB-SEM).
זה אפשר לחוקרים לשחזר תמונה ברזולוציה גבוהה של הננו-רשת המוליכה. הם גילו שהיא יוצרת "רשת דמוית פרקטל" המקיפה נקבוביות ec³, מה שמאפשר לאלקטרוליט לחדור ולזרם לזרום דרך המערכת.
בעזרת כלי אנליטי מעולה זה, צוות המחקר המשיך להתנסות באלקטרוליטים שונים ובריכוזיהם כדי לראות כיצד הם משפיעים על צפיפות אחסון האנרגיה.
"גילינו שיש מגוון רחב של אלקטרוליטים שיכולים להיות מועמדים ברי קיימא עבור ec³."
זה אפילו כולל מי ים, מה שיכול להפוך אותם לחומר טוב לשימוש ביישומים חופיים וימיים, אולי כמבני תמיכה לחוות רוח ימיות."
הם מדדו שאלקטרוליטים אורגניים, במיוחד אלו המשלבים מלחי אמוניום רבעוניים הנמצאים במוצרים יומיומיים כמו חומרי חיטוי, פעלו בצורה הטובה ביותר כאשר עורבבו עם אצטוניטריל, נוזל שקוף ומוליך המשמש לעתים קרובות בתעשייה.
ייצור טוב יותר של סוללות בטון
בעבר, השיטה בה נעשה שימוש הייתה צריכה לרפא את אלקטרודות ה-ec³ ולאחר מכן להשרות אותן באלקטרוליט. במקום זאת, הם גילו שהם יכולים להוסיף את האלקטרוליט ישירות למי הערבוב.
זה היה חיוני ביציקת אלקטרודות עבות יותר שאגרו יותר אנרגיה.
כהדגמה של טכנולוגיה זו, הצוות בנה קשת בטון מיניאטורית מדגם ec³ כדי להראות כיצד צורה מבנית ואחסון אנרגיה יכולים לעבוד יחד.
הקשת, שפעלה במתח של 9 וולט, נשאה את משקלה ואת העומס הנוסף, תוך שהיא מפעילה נורת LED.
ניטור אוטומטי של שלמות מבנית
תופעה מפתיעה התרחשה כאשר הגבירו את המטען על קשת הבדיקה. בשלב מסוים, האור החל להבהב, מה שמשקף את הבטון שהחל להינזק ואת אגירת החשמל שנכשלה.
זה גורם נזק מבני ניכר למרות שאין סדקים נראים לעין. יכולת כזו יכולה להיות שימושית מאוד בבניינים אמיתיים.
"ייתכן שיש כאן סוג של יכולת ניטור עצמי. אם נחשוב על קשת ec³ בקנה מידה אדריכלי, התפוקה שלה עשויה להשתנות כאשר היא מושפעת מגורם לחץ כמו רוחות חזקות."
ייתכן שנוכל להשתמש בזה כאות למתי ובאיזו מידה מבנה נמצא תחת לחץ, או לנטר את בריאותו הכללית בזמן אמת."
אדמיר מסיץ' -פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית (CEE) ב-MIT.
בטון מחמם את עצמו
עיצוב בטון זה לא רק יכול לאגור חשמל, אלא גם בעל מוליכות תרמית גבוהה יותר. כתוצאה מכך, הוא יכול לסייע בהמסת קרח שהופקד עליו, וכבר שימש למטרה זו בסאפורו, יפן, ומהווה אלטרנטיבה פוטנציאלית להמלחה.
אנרגיה המאוחסנת ולאחר מכן מתממשת בצורת חום יכולה לשמש גם להמסת קרח על כבישים, מדרכות ושבילי הליכה.
עתיד סוללות הבטון ואחסון האנרגיה
עד כה, סוללות בקנה מידה שימושי תוארו בעיקר כסוללות חום, אגירת מימן, או סוללות המשתמשות בחומרים זולים כמו נתרן, ברזל או אלומיניום, כדי להחליף את סוללות הליתיום/קובלט/ניקל היקרות יותר של סוללות ליתיום-יון.
עם זאת, אם ברצוננו להגדיל את אחסון הסוללות כדי להפעיל באופן מלא את הציוויליזציה המתועשת באמצעות אנרגיה סולארית, חומר נפוץ יותר כמו בטון יכול להיות אידיאלי.
ראשית, הוא משתמש בחומרים פחות נדירים, שכן אפילו סוללות כימיות חלופיות עדיין דורשות הרבה נחושת, למשל.
שנית, ניתן לשלב אותו בצורה חלקה יותר בנופים ובמבנים עירוניים יומיומיים.
הצוות כבר עובד על יישומים כמו מקומות חניה וכבישים שיוכלו לטעון כלי רכב חשמליים, כמו גם בתים שיכולים לפעול באופן מלא מחוץ לרשת החשמל.
מכיוון שלבטון המתקבל יש את אותה שלמות מבנית כמו בטון רגיל, ייתכן שיהיה הגיוני להשתמש בו במקום זאת, ולעקוף לחלוטין את הצורך בשטח נוסף ובהליך הבנייה של פארקי סוללות.
"על ידי שילוב ננו-מדע מודרני עם אבן בניין עתיקה של ציוויליזציה, אנו פותחים דלת לתשתיות שלא רק תומכות בחיינו, אלא גם מעצימות אותם."
אדמיר מסיץ' -פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית (CEE) ב-MIT.
השקעה במלט בר קיימא
CRH Plc
(CRH )
