Da bi se osigurala stabilna opskrba, potrebni su nam sustavi za skladištenje koji mogu pohraniti višak energije proizveden tijekom razdoblja visokog prinosa i isporučiti ga kada je proizvodnja niska. Trenutno su baterije najčešće rješenje, ali one imaju svoje nedostatke.

Litij je ključan sastojak u mnogim modernim baterijama, poput onih koje se koriste u električnim vozilima i prijenosnim uređajima. Međutim on je relativno rijedak i koncentriran u nekoliko regija svijeta. Ekstrakcija litija je energetski intenzivna i troši velike količine vode, a uz to može zagađivati lokalne vodne resurse toksičnim kemikalijama.

Damian Stefaniuk i njegov tim na Massachusetts Institute of Technology (MIT) razvili su inovativno rješenje koje koristi beton kao sredstvo za skladištenje energije. Stvorili su tako uređaj za skladištenje energije poznat kao superkondenzator pomoću tri jeftina sastojka: vode, cementa i crnog ugljika (supstanca slična čađi). Potonji element – crni ugljik – povećava električnu vodljivost betona, piše BBC.

Superkondenzatori su uređaji koji mogu brzo pohraniti i otpustiti velike količine energije. Za razliku od konvencionalnih baterija, imaju duži vijek trajanja i mogu podnijeti mnogo više ciklusa punjenja i pražnjenja.

Princip rada superkondenzatora

Superkondenzator funkcionira zahvaljujući neobičnom svojstvu crnog ugljika – visokoj provodljivosti. Kada se on kombinira s cementnim prahom i vodom, stvara se beton pun mreža provodljivog materijala, nalik na male grane i korijenje.

Kondenzatori se sastoje od dvije provodne ploče s membranom između njih. U ovom slučaju obje ploče su napravljene od cementa s crnim ugljikom, natopljenih u elektrolitsku sol, kalijev klorid.

Kada se struja primijeni na ploče natopljene solju, pozitivno nabijene ploče akumuliraju negativno nabijene ione iz kalijevog klorida, a membrana sprječava izmjenu nabijenih iona između ploča, stvarajući električno polje.

Prednosti betonskih superkondenzatora

Beton i crni ugljik su jeftini i široko dostupni. Zbog toga bi proizvodnja betonskih superkondenzatora imala manji utjecaj na okoliš u usporedbi s vađenjem litija. Osim toga, beton je čvrst i dugotrajan materijal, što znači da bi superkondenzatori mogli imati dug vijek trajanja.

Inovacija koju su razvili Stefaniuk i njegov tim predstavlja potencijalnu revoluciju u skladištenju energije. Ako se ovaj koncept pokaže skalabilnim i učinkovitijim u većim razmjerima, mogao bi značajno doprinijeti rješenju problema skladištenja energije koji trenutno koče široku primjenu obnovljivih izvora energije.

Superkondenzatori su vrlo učinkoviti u pohranjivanju energije, ali se razlikuju od baterija u nekoliko važnih aspekata. Mogu se puniti mnogo brže od litij-ionskih baterija i ne pate od iste razine degradacije performansi.

Međutim superkondenzatori također brzo oslobađaju pohranjenu energiju, što ih čini manje korisnima u uređajima kao što su mobilni telefoni, prijenosna računala ili električni automobili, gdje je potrebna stalna opskrba energijom u duljem razdoblju.

Prema Stefaniuku, ugljično-cementni superkondenzatori mogli bi značajno doprinijeti naporima da se globalna ekonomija dekarbonizira. 'Ako se tehnologija može skalirati, može pomoći u rješavanju važnog problema – pohranjivanja obnovljive energije', kaže on.

Predviđene primjene

Stefaniuk te njegovi kolege s MIT-a i Instituta Wyss za biološki inspirirano inženjerstvo na Sveučilištu Harvard predviđaju nekoliko primjena za svoje superkondenzatore.

Jedna od mogućnosti je stvaranje cesta koje pohranjuju solarnu energiju i zatim je oslobađaju za bežično punjenje električnih automobila dok se voze cestom. Brzo oslobađanje energije iz ugljično-cementnog superkondenzatora omogućilo bi brz poticaj za njihove baterije.

Druga mogućnost je korištenje superkondenzatora kao temelja kuća – 'zamislite zidove, temelje ili stupove koji nisu samo nosivi elementi strukture, već također pohranjuju energiju unutar njih', kaže Stefaniuk.

Tehnologija superkondenzatora nastalih od betona i ugljika još je u ranim fazama razvoja. Trenutno oni mogu pohraniti nešto manje od 300 vatsati po kubnom metru, što je dovoljno za napajanje 10-vatne LED žarulje 30 sati.

Snaga izlaza možda se čini niskom u usporedbi s konvencionalnim baterijama, ali, kako kaže Stefaniuk, temelj s 30-40 kubnih metara betona mogao bi biti dovoljan za zadovoljenje dnevnih energetskih potreba kućanstva. S obzirom na široku primjenu betona globalno, ovaj materijal ima potencijal postati vrlo konkurentan i koristan za pohranu energije.

Još se moraju savladati mnogi izazovi

Superkondenzatori nisu savršeni. Postojeće iteracije brzo ispuštaju energiju i nisu idealne za stabilan izlaz, potreban za napajanje kuće cijelog dana. Stefaniuk kaže da on i kolege rade na rješenju koje bi omogućilo da se njihova verzija od ugljika i cementa prilagodi podešavanjem smjese, ali neće otkriti detalje dok ne završe testove i objave rad.

Postoje i drugi izazovi koje treba prevladati - dodavanje više crnog ugljika omogućava superkondenzatoru da pohrani više energije, ali istovremeno čini beton malo slabijim. Istraživači kažu da bi svi slučajevi korištenja koji imaju strukturalnu ulogu, kao i skladištenje energije, trebali pronaći optimalnu mješavinu crnog ugljika.

Ugljično-cementni superkondenzatori mogu pomoći u smanjenju ovisnosti o litiju, ali i oni utječu na okoliš. Proizvodnja cementa odgovorna je za pet do osam posto emisija ugljičnog dioksida iz ljudske aktivnosti globalno, a ugljik i cement potrebni za superkondenzatore trebali bi biti svježe napravljeni, a nr naknadno ugrađeni u postojeće strukture.

Unatoč tome, čini se da je ovo obećavajuća inovacija, kaže Michael Short, koji vodi Centar za održivo inženjerstvo na Sveučilištu Teesside u Velikoj Britaniji. Istraživanje 'otvara mnoge zanimljive potencijalne puteve korištenja izgrađenog okoliša kao medija za pohranu energije', kaže on. 'Kako su ti materijali uobičajeni, a proizvodnja relativno jednostavna, ovo daje veliku naznaku toga da bi ovaj pristup trebao biti dalje istražen i potencijalno bi mogao biti vrlo koristan dio prijelaza prema čišćoj, održivoj budućnosti.'