Енергія
Бетонні конденсатори: майбутнє накопичення енергії
Securities.io дотримується суворих редакційних стандартів і може отримувати винагороду за перевірені посилання. Ми не є зареєстрованим інвестиційним консультантом, і це не є інвестиційною порадою. Будь ласка, перегляньте наші розкриття партнерів.
Зберігання енергії в бетонних конденсаторах
Коли йдеться про накопичення енергії, вся увага зосереджена на акумуляторах. Хоча певний час основна увага приділялася постійно вдосконаленню літій-іонної технології, зараз також розробляються або виходять на комерційну стадію натрій-іонні, твердотільні та інші типи альтернативних хімічних складів акумуляторів.
У всіх випадках ці батареї зберігають електрику в хімічній формі, зазвичай використовуючи іони металів для перенесення зміни електричного заряду.
джерело: Давайте поговоримо про науку
Однак це не єдиний спосіб зберігання електроенергії. Іншим варіантом є використання суперконденсатора.
На відміну від батарей, які зберігають електричний заряд у масі металевих іонів, суперконденсатори та ультраконденсатори утримують електричний заряд на поверхні провідного матеріалу.
джерело: Синовольтаїка
Ця фундаментальна відмінність у концепції накопичення енергії змінює принцип роботи конденсаторів порівняно з батареями. Оскільки енергія доступна на поверхні матеріалу, її можна дуже швидко мобілізувати, що дозволяє здійснювати надшвидкі цикли заряджання та розряджання, тоді як батареї уповільнюються через швидкість необхідних хімічних реакцій.
Конденсатори досі були здебільшого нішевим продуктом, оскільки вони утримують менше заряду, ніж акумулятори, і часто є дорожчими, оскільки вимагають дорожчих матеріалів.
Можливо, ситуація змінюється завдяки розробці чотирма дослідниками з Массачусетського технологічного інституту (MIT) конденсаторів на основі бетону, які зрештою можна буде використовувати для перетворення будівель та доріг на гігантські батареї.
Вони опублікували свою останню розробку в престижному науковому журналі Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) під назвою «Вуглецементні суперконденсатори з високою щільністю енергії для архітектурного накопичення енергії".
Застосування конденсаторів
Низький заряд конденсаторів порівняно з батареями досі перешкоджав їх використанню для великогабаритного або довготривалого зберігання енергії, незважаючи на їхню надзвичайну довговічність.
Однак їхня здатність обробляти дуже швидкі зміни електричного заряду та значно вищу напругу без будь-яких пошкоджень робить їх корисними для застосувань, де виробляється або потрібна велика кількість енергії одночасно.
Наприклад, суперконденсатори використовуються в автомобілях, поїздах, кранах та ліфтах для короткочасного накопичення енергії, рекуперативного гальмування або імпульсної подачі енергії.
Хоча загальна енергія не обов'язково така висока, інтенсивність та швидкість є.
Для енергетичних мереж та систем накопичення енергії суперконденсатори є найефективнішими для подолання розривів потужності, які тривають від кількох секунд до кількох хвилин, і їх можна швидко зарядити.
Удосконалення бетонних конденсаторів
Виготовлення бетону зберігає енергію
Для акумуляторів різниця енергії між різними електрохімічними реакціями та кількість доступного реактивного металу зазвичай обмежує ємність.
Для конденсаторів основним обмеженням є загальна поверхня матеріалу. Тому, як правило, найбільш пористі матеріали матимуть набагато більший заряд.
З цієї причини гетерогенні матеріали (виготовлені з кількох елементів) часто є найкращими, а також будь-який матеріал, що є результатом полімеризації простіших матеріалів, з багатьма порами та альвеолами всередині.
Вже у 2023 році дослідники Массачусетського технологічного інституту досліджували потенціал бетону – матеріалу зі складною мікроскопічною структурою, який теоретично можна було б перетворити на конденсатор.
Цього було досягнуто за допомогою цементу, води, надтонкого вуглецевого сажі (з нанорозмірними частинками) та електролітів. Разом вони створили так званий електронопровідний вуглецевий бетон (ec³, вимовляється «ec-cubed»).
ec³ містить «вуглецеву наномережу» всередині бетону, яка може зберігати та проводити електрику.
Бетонна достаток
Цемент і бетон є найбільш вироблюваними матеріалами на Землі, досягаючи загального обсягу та маси 1.7 мільярда кубічних метрів та 4.1 мільярда тонн, що перевищує показники будь-якого іншого матеріалу, включаючи пісок і сталь.
джерело: Візуальний капіталіст
Як наслідок, це означає, що навіть перетворення дуже невеликої частини світового бетону на накопичувачі енергії може радикально змінити те, як ми зберігаємо енергію в наших будинках, офісах та містах.
«Ключем до сталого розвитку бетону є розробка «багатофункціонального бетону», який поєднує в собі такі функції, як накопичення енергії, самовідновлення та поглинання вуглецю.
Бетон вже є найпоширенішим будівельним матеріалом у світі, то чому б не скористатися цим масштабом для створення інших переваг?»
Покращення продуктивності ec³
Підвищення щільності енергії
Оригінальний прототип 2023 року був достатньо енергощільним, щоб 45 кубічних метрів еквівалента³, що приблизно дорівнює кількості бетону, що використовується в типовому підвалі, було достатньо для задоволення щоденних потреб середньостатистичного будинку.
Хоча це й цікаво, питання вартості та практичності зробили цей номер не зовсім комерційно придатним.
Нові версії продукту дослідників можуть зберігати таку ж кількість енергії за 1/9th об'єм, або лише 5 кубічних метрів (176 кубічних футів).
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →
| Технологія | Щільність енергії | Швидкість заряджання/розряджання | Тривалість життя | Ключові матеріали |
|---|---|---|---|---|
| Літій-іонна акумуляторна батарея | 150–250 Вт·год/кг | Хвилини–години | ~2,000 циклів | Літій, кобальт, нікель |
| Суперконденсатор | 5–10 Вт·год/кг | секунд | > 1,000,000 циклів | Активоване вугілля |
| Бетонний конденсатор (ec³) | ~50 Вт·год/кг (прогноз) | Секунди–хвилини | > 100,000 циклів | Цемент, сажа, електроліт |
Поглиблений аналіз
Цієї вищої продуктивності було досягнуто завдяки використанню сфокусованого іонного пучка для послідовного видалення тонких шарів матеріалу ec³. Ці шари потім були проаналізовані за допомогою скануючого електронного мікроскопа (FIB-SEM томографія).
Це дозволило дослідникам реконструювати зображення високої роздільної здатності провідної наномережі. Вони виявили, що вона утворює «фракталоподібну павутину», що оточує пори ec³, що дозволяє електроліту проникати всередину та протікати струм через систему.
За допомогою цього чудового аналітичного інструменту дослідницька група продовжила експериментувати з різними електролітами та їх концентраціями, щоб побачити, як вони впливають на щільність накопичення енергії.
«Ми виявили, що існує широкий спектр електролітів, які можуть бути життєздатними кандидатами для ec³».
Це навіть включає морську воду, що може зробити його гарним матеріалом для використання в прибережних та морських умовах, можливо, як опорні конструкції для морських вітрових електростанцій».
Вони виміряли, що органічні електроліти, особливо ті, що поєднують четвертинні амонієві солі, що містяться в повсякденних продуктах, таких як дезінфікуючі засоби, найкраще працюють у змішуванні з ацетонітрилом, прозорою, провідною рідиною, яка часто використовується в промисловості.
Покращене виробництво бетонних батарей
Раніше використовувався метод, який передбачав затвердіння електродів ec³ та їх замочування в електроліті. Натомість вони виявили, що можуть додавати електроліт безпосередньо у воду для змішування.
Це було важливо для лиття товстіших електродів, які накопичували більше енергії.
Як демонстрацію цієї технології, команда побудувала мініатюрну арку з ec³ бетону, щоб показати, як структурна форма та накопичення енергії можуть працювати разом.
Працюючи на напрузі 9 вольт, арка витримувала власну вагу та додаткове навантаження, одночасно живлячи світлодіодну лампу.
Автоматичний моніторинг структурної цілісності
Дивовижне явище сталося, коли вони збільшили заряд на тестовій арці. У якийсь момент світло почало мерехтіти, відображаючи початок пошкодження бетону та вихід з ладу накопичувача електроенергії.
Це робить структурні пошкодження очевидними, незважаючи на відсутність видимих тріщин. Така здатність може бути дуже корисною в реальних будівлях.
«Тут може бути своєрідна здатність до самоконтролю. Якщо уявити арку ec³ в архітектурному масштабі, її вихідна потужність може коливатися, коли на неї впливає стресовий фактор, такий як сильний вітер».
Ми можемо використовувати це як сигнал про те, коли і якою мірою конструкція перебуває під навантаженням, або контролювати її загальний стан у режимі реального часу».
Самонагріваючийся бетон
Ця бетонна конструкція не лише може накопичувати енергію, але й має вищу теплопровідність. Як результат, вона може допомогти розтопити лід, що осів на ній, і вже використовувалася для цієї мети в Саппоро, Японія, представляючи собою потенційну альтернативу посипанню солями.
Енергію, що накопичується та потім реалізується у вигляді тепла, також можна використовувати для розтоплення льоду на дорогах, тротуарах та пішохідних доріжках.
Майбутнє бетонних акумуляторів та накопичувачів енергії
Досі акумулятори комунального масштабу здебільшого уявлялися як теплові акумулятори, накопичувачі водню або акумулятори з використанням недорогих матеріалів, таких як натрій, залізо або алюміній, для заміни дорожчих літій/кобальт/нікель літій-іонних акумуляторів.
Однак, якщо ми хочемо збільшити масштаби акумуляторного зберігання енергії, щоб повністю забезпечити індустріалізовану цивілізацію сонячною енергією, ідеальним може бути більш поширений матеріал, такий як бетон.
По-перше, він використовує ще менш рідкісні матеріали, оскільки навіть акумулятори з альтернативною хімією все ще потребують багато міді, наприклад.
По-друге, його також можна було б більш органічно інтегрувати у повсякденні міські ландшафти та споруди.
Команда вже працює над такими застосуваннями, як паркувальні місця та дороги, які могли б заряджати електромобілі, а також будинки, які можуть працювати повністю автономно від мережі.
Оскільки отриманий бетон має таку ж структурну цілісність, як і звичайний бетон, можливо, має сенс просто використовувати його замість цього та повністю уникнути необхідності додаткового простору та процедури будівництва акумуляторних парків.
«Поєднуючи сучасну нанонауку з давнім будівельним блоком цивілізації, ми відкриваємо двері до інфраструктури, яка не просто підтримує наше життя, а й забезпечує його енергією».
Інвестиції в стійкий цемент
CRH Plc
(CRH )
