Betonowe budynki magazynami energii? Odkrycie naukowców z MIT

Beton jest najpowszechniej stosowanym materiałem budowlanym na świecie. W niedalekiej przyszłości może posłużyć nie tylko jako uniwersalny budulec, ale także magazyn energii. Ściany i fundamenty potencjalnie będą mogły gromadzić i uwalniać energię elektryczną. Być może wtedy betonowy rynek Twojego miasta zapewni – oprócz udaru słonecznego – zapas energii na pochmurne dni.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) niedawno udoskonalili superkondensatory węglowo-cementowe. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Problemy energetyki

Współczesna energetyka boryka się z problemem wahań podaży energii, wynikających z rosnącego udziału odnawialnych źródeł, takich jak wiatr czy słońce, których produkcja jest zależna od warunków pogodowych. Rozwiązaniem są magazyny energii, które pozwalają gromadzić nadwyżki w okresach wysokiej produkcji i uwalniać je, gdy zapotrzebowanie przewyższa podaż. Jednak obecne technologie magazynowania, takie jak baterie litowo-jonowe, mają swoje ograniczenia – wysokie koszty produkcji i ograniczoną żywotność. Używanie ich stwarza wyzwania związane z recyklingiem i wpływem na środowisko. Odpowiedzią na problemy które stwarza OZE może być owoc pracy naukowców z MIT.

Jak to działa?

Powstający z połączenia cementu, wody, ultradrobnej sadzy z nanocząsteczkami i elektrolitów „beton węglowy” (EC³, wym. „ec cubed”, czyli „ec-sześcian”) tworzy przewodzącą elektrony nanosieć, która mogłaby umożliwić konstrukcjom, takim jak ściany, chodniki i mosty, magazynowanie i uwalnianie energii elektrycznej. Badania nad materiałem prowadzi zespół MIT Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials Hub (ECł Hub).

Materiał został odkryty w 2023 roku. Jak donoszą naukowcy z MIT w nowym artykule, optymalizacja używanych elektrolitów i procesów produkcyjnych zwiększyły pojemność superkondensatorów EC3 o rząd wielkości. Dwa lata temu, do zgromadzenia ilość energii, która zaspokoiłaby dzienne zapotrzebowanie przeciętnego domu, potrzebne byłoby 45 metrów sześciennych betonu węglowego. Teraz, dzięki postępom naukowców, to samo można uzyskać z 5 metrów sześciennych materiału. Poprawa gęstości energii była możliwa dzięki głębszemu zrozumieniu funkcjonowania sieci nanosadzy i jej interakcji z elektrolitem. Dokładne zbadanie było możliwe dzięki technologii tomografii FIB-SEM – cienkie warstwy materiału były obrazowane dzięki mikroskopu skaningowego. Dzięki temu zespół ECł Hub odkrył, iż nanosieć jest fraktalopodobną strukturą otaczającą pory EC³ , co umożliwia infiltrację elektrolitu i przepływ prądu przez system.

Wyposażony w nową wiedzę na temat nanosieci, zespół eksperymentował z różnymi elektrolitami i ich stężeniami, a także usprawnił sposób dodawania elektrolitów do mieszanki. Wynikiem było osiągnięcie 10 razy większej mocy.

Jak podkreśla Damian Stefaniuk, pierwszy autor ECł Hub, gama elektrolitów, które mogłyby być wykorzystane w EC3 jest szeroka.

„Obejmuje to choćby wodę morską, co mogłoby uczynić ten materiał dobrym do zastosowania w zastosowaniach przybrzeżnych i morskich, być może jako konstrukcje wsporcze dla morskich farm wiatrowych” – mówi.

Jednak zespół osiągnął najlepsze wyniki, przechodząc na elektrolity organiczne, zwłaszcza łączące czwartorzędowe sole amoniowe z acetonitrylem. Metr sześcienny tej wersji betonu (czyli mniej więcej objętość lodówki) zmagazynowałby 2 megawatogodziny energii – tyle, ile potrzeba do zasilenia lodówki przez jeden dzień.

Starożytne inspiracje

Inspiracją dla naukowców są osiągnięcia starożytnych Rzymian – którzy powszechnie stosowali beton. Jak mówi Admir Masic, jeden z dyrektorów EC³ Hub „Starożytni Rzymianie poczynili ogromne postępy w budownictwie betonowym. Ogromne konstrukcje, takie jak Panteon, stoją do dziś bez zbrojenia. jeżeli utrzymamy ich ducha łączenia materiałoznawstwa z wizją architektoniczną, możemy stać u progu nowej rewolucji architektonicznej z wielofunkcyjnymi betonami, takimi jak EC³”.

Łuk pod obciążeniem, zaprezentowany przez naukowców. Źródło: MIT News

Nawiązując do rzymskiej architektury, zespół zbudował miniaturowy łuk z bloczków EC³, aby zaprezentować współgranie funkcji budulca i magazynu energii. Łuk, zasilany napięciem 9 V, utrzymywał swój własny ciężar i dodatkowe obciążenie, zasilając jednocześnie diodę LED. Dzięki tej wizualizacji odkryto zaskakującą zależność – wraz ze wzrostem obciążenia łuku światło zaczęło migotać. Jak tłumaczą autorzy artykułu, prawdopodobnie wynika to ze sposobu, w jaki naprężenia wpływają na rozprowadzanie ładunków. Masic widzi w tym kolejną szansę. „Może tu zachodzić pewnego rodzaju samokontrola. jeżeli pomyślimy o łuku EC3 w skali architektonicznej, jego wydajność może ulegać wahaniom pod wpływem czynnika obciążającego, takiego jak silny wiatr. Możemy to wykorzystać jako sygnał informujący o tym, kiedy i w jakim stopniu konstrukcja jest naprężona, lub monitorować jej ogólny stan w czasie rzeczywistym” – komentuje.

Poza laboratorium

Osiągnięcia zespołu przybliżają technologię do osiągnięcia realnej skalowalności. Beton węglowy można wykorzystać także w inny sposób – ze względu na swoje przewodnictwo cieplne, z EC3 można stworzyć samonagrzewające się płyty chodnikowe, które topią śnieg. To potencjalna alternatywa dla posypywania solą. Pokazowe panele stanęły w Japońskim Sapporo.

Płyty mogłyby zostać wykorzystane do budowy chodników i ulic, które zimą nie potrzebowałyby sypania soli. Źródło: MIT EC³ Hub

Autorzy podsumowują artykuł cytatem: „Łącząc współczesną nanonaukę ze starożytnym budulcem cywilizacji, otwieramy drzwi do infrastruktury, która nie tylko wspiera nasze życie, ale je napędza”.

Pozostają pytania o koszt produkcji czy wpływ na ludzi przebywających wewnątrz takich konstrukcji, na które odpowiedź być może poznamy już wkrótce, kiedy projekt przejdzie do testów w większej skali.