Auf einem Labortisch in Cambridge, Massachusetts, liegt ein Stapel polierter schwarzer Betonzylinder, die in Flüssigkeit getaucht und mit Drähten verschlungen sind. Für einen zufälligen Beobachter bewirken sie nicht viel. Doch dann legt Damian Stefaniuk einen Schalter um. Die künstlichen Felsblöcke werden an eine LED angeschlossen und die Glühbirne erwacht zum Leben.
„Ich habe es zuerst nicht geglaubt“, beschreibt Stefaniuk das erste Mal, als die Glühbirne anging.
„Ich dachte, ich hätte die externe Stromversorgung nicht getrennt und deshalb leuchtete die LED auf.
„Es war ein wunderschöner Tag. Wir haben Schüler und ich Lehrer zum Zuschauen eingeladen, weil sie zunächst auch nicht dachten, dass es funktionieren würde.“
Der Grund für die Aufregung? Dieser dunkle, harmlose Betonklumpen könnte die Zukunft der Energiespeicherung darstellen.
Batterien
Die meisten erneuerbaren Energiequellen versprechen saubere und unbegrenzte Energie, die uns aus Sonne, Wind und Meer zugeführt wird.
Allerdings scheint die Sonne nicht immer, der Wind weht nicht immer und ruhiges Wasser hat, gemessen in Megawatt, keine Tiefe.
Dabei handelt es sich um intermittierende Energiequellen, die in unserer modernen energiehungrigen Welt ein Problem darstellen.
Das bedeutet, dass wir diese Energie in Batterien speichern müssen. Aber Batterien sind auf Materialien wie Lithium angewiesen, deren Vorräte weitaus geringer sind als das, was sicherlich benötigt wird, um die Nachfrage zu decken, die durch das globale Streben nach Dekarbonisierung der Energie- und Transportsysteme entsteht.
Weltweit gibt es 101 Lithiumminen, und Wirtschaftsanalysten sind hinsichtlich der Fähigkeit dieser Minen, mit der wachsenden globalen Nachfrage Schritt zu halten, pessimistisch.
Umweltanalysten weisen darauf hin, dass der Lithiumabbau viel Energie und Wasser verbraucht, was die Umweltvorteile der Umstellung auf erneuerbare Energiequellen verringert.
Die bei der Lithiumgewinnung ablaufenden Prozesse können manchmal auch dazu führen, dass giftige Chemikalien in die örtliche Wasserversorgung gelangen.
Trotz einiger neuer Entdeckungen von Lithiumreserven Die begrenzte Verfügbarkeit dieses Materials, die übermäßige Abhängigkeit von nur einer Handvoll Minen weltweit und seine Auswirkungen auf die Umwelt haben die Suche nach alternativen Batteriematerialien vorangetrieben.
Hier kommen Stefaniuk und sein Beton ins Spiel. Er und seine Kollegen am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Weg gefunden, einen Energiespeicher namens Superkondensator aus drei grundlegenden, billigen Materialien herzustellen: Wasser, Zement und einer rußähnlichen Substanz namens Ruß.
Superkondensatoren
Superkondensatoren speichern Energie sehr effizient und unterscheiden sich in wichtigen Punkten von Batterien.
Sie können viel schneller aufgeladen werden als ein Lithium-Ionen-Akku und erleiden nicht die gleichen Leistungseinbußen.
Superkondensatoren geben die gespeicherte Energie aber auch schnell wieder abDaher sind sie in Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops oder Elektroautos weniger nützlich, da dort über einen langen Zeitraum hinweg eine konstante Stromversorgung erforderlich ist.
Laut Stefaniuk könnten Kohlenstoffzement-Superkondensatoren jedoch einen wichtigen Beitrag zu den Bemühungen zur Dekarbonisierung der Weltwirtschaft leisten.
„Wenn die Technologie skaliert werden kann, kann sie dabei helfen, ein wichtiges Problem zu lösen: die Speicherung erneuerbarer Energien“, sagt er.
Er und seine Forscherkollegen am MIT und am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University stellen sich mehrere Anwendungen für ihre Superkondensatoren vor.
Eine Möglichkeit könnte darin bestehen, Straßen zu schaffen, die Sonnenenergie speichern und diese dann freigeben, um Elektrofahrzeuge während der Fahrt drahtlos aufzuladen.
Die schnelle Energiefreisetzung aus dem Kohlenstoffzement-Superkondensator würde es den Fahrzeugen ermöglichen, ihre Batterien schnell aufzuladen.
Eine weitere Option wären energiespeichernde Hausfundamente: „Wände, Fundamente oder Säulen, die nicht nur eine Struktur stützen, sondern auch Energie darin speichern“, sagt Stefaniuk.
Einschränkungen
Aber es ist noch früh. Derzeit kann der Beton-Superkondensator knapp 300 Wattstunden pro Kubikmeter speichern, was ausreichen würde, um eine 10-Watt-LED-Glühbirne 30 Stunden lang mit Strom zu versorgen.
Die erzeugte Leistung „mag im Vergleich zu herkömmlichen Batterien gering erscheinen, [pero] Ein Haus mit einem Fundament aus 30–40 Kubikmetern Beton könnte genug Kapazität haben, um den täglichen Energiebedarf eines Hauses zu decken“sagt Stefaniuk.
„Angesichts der weit verbreiteten Verwendung von Beton weltweit hat dieses Material das Potenzial, äußerst wettbewerbsfähig und nützlich für die Energiespeicherung zu sein.“
Stefaniuk und ihre Kollegen am MIT testeten das Konzept zunächst, indem sie aus dem Material 1-V-Superkondensatoren in Penny-Größe herstellten, bevor sie sie in Reihe schalteten, um eine 3-V-LED zu betreiben.
Seitdem haben sie das Konzept erweitert, um einen 12-V-Superkondensator herzustellen.
Stefaniuk konnte auch größere Versionen des Superkondensators verwenden, um eine tragbare Spielekonsole mit Strom zu versorgen.
Und das Forschungsteam plant nun, größere Versionen zu bauen, darunter eine mit einer Größe von bis zu 45 Kubikmetern, die etwa 10 kWh Energie speichern könnte, die für die Stromversorgung eines Hauses für einen Tag benötigt wird.
Wie funktioniert es
Der Superkondensator funktioniert dank einer ungewöhnlichen Eigenschaft von Ruß: Er ist hochleitfähig.
Das bedeutet, dass Wenn Ruß mit Zementpulver und Wasser kombiniert wird, entsteht eine Art Beton, der mit Netzwerken aus leitfähigem Material gefüllt ist.das eine Form annimmt, die winzigen Wurzeln ähnelt, die sich immer verzweigen.
Kondensatoren bestehen aus zwei leitenden Platten mit einer Membran dazwischen. In diesem Fall bestehen beide Platten aus Rußzement, der mit einem Elektrolytsalz namens Kaliumchlorid getränkt wurde.
Wenn elektrischer Strom an die salzgetränkten Platten angelegt wurde, sammelten die positiv geladenen Platten negativ geladene Kaliumchloridionen an. Und da die Membran den Austausch geladener Ionen zwischen den Platten verhinderte, entstand durch die Ladungstrennung ein elektrisches Feld.
Da Superkondensatoren sehr schnell große Ladungsmengen aufbauen können, Die Geräte könnten nützlich sein, um überschüssige Energie zu speichern, die aus intermittierenden erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne erzeugt wird.
Dies würde das Netz zu Zeiten entlasten, in denen der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint.
Wie Stefaniuk sagt: „Ein einfaches Beispiel wäre ein netzunabhängiges Haus, das mit Sonnenkollektoren betrieben wird: Tagsüber wird Sonnenenergie direkt genutzt und nachts die Energie beispielsweise im Fundament gespeichert.“
Superkondensatoren sind nicht perfekt. Bestehende Iterationen entladen ihre Energie schnell und sind nicht ideal für eine konstante Produktion, die nötig wäre, um ein Haus rund um die Uhr mit Strom zu versorgen.
Stefaniuk sagt, dass er und seine Kollegen an einer Lösung arbeiten, um ihre Version von Kohlenstoffzement durch Anpassung der Mischung zu verfeinern, aber sie werden die Details erst preisgeben, wenn sie die Tests abgeschlossen und einen Artikel veröffentlicht haben.
Eine „vielversprechende Innovation“
Es könnten auch andere Probleme zu bewältigen sein: Durch die Zugabe von mehr Ruß kann der resultierende Superkondensator mehr Energie speichern, der Beton wird dadurch jedoch auch etwas geschwächt.
Die Forscher sagen, dass sie eine optimale Rußmischung finden müssen, um die Verwendung von Beton in strukturellen Funktionen sowie als Energiespeicher zu erreichen.
Und obwohl Kohlenstoffzement-Superkondensatoren dazu beitragen könnten, unsere Abhängigkeit von Lithium zu verringern, haben sie auch eigene Auswirkungen auf die Umwelt.
Die Zementproduktion ist weltweit für 5–8 % der Kohlendioxidemissionen durch menschliche Aktivitäten verantwortlich. und der für Superkondensatoren benötigte Kohlenstoffzement müsste neu hergestellt und nicht in bestehende Strukturen nachgerüstet werden.
Allerdings scheine es eine vielversprechende Innovation zu sein, sagt Michael Short, der das Centre for Sustainable Engineering an der Teesside University im Vereinigten Königreich leitet.
Die Forschung „eröffnet viele interessante Möglichkeiten für die Nutzung der gebauten Umwelt selbst als Mittel zur Energiespeicherung“, sagt er.
„Angesichts der Tatsache, dass auch die Materialien üblich sind und die Herstellung relativ einfach ist, ist dies ein guter Hinweis darauf Dieser Ansatz sollte weiter untersucht werden und könnte ein sehr nützlicher Teil des Übergangs zu einer saubereren und nachhaltigeren Zukunft sein.“.
Um dies aus dem Labor in die reale Welt zu übertragen, sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich.
„Neue Entdeckungen sind oft problematisch, wenn man den Übergang vom Labor- oder Labormaßstab zu einer breiteren Umsetzung in größeren Maßstäben und Volumina in Betracht zieht“, warnt Short.
„Dies kann auf die Komplexität der Herstellung, Ressourcenknappheit oder manchmal auch auf die zugrunde liegende Physik oder Chemie zurückzuführen sein. Was in kleineren Maßstäben passiert, kann schrumpfen oder sogar verschwinden, wenn man versucht, es größer zu machen.“
Aber es könnte einen Weg geben, das Problem des umweltschädlichen Zements zu überwinden, fügt Short hinzu.
Kollegen der Teesside University arbeiten bereits an emissionsarmem Zement, der aus Nebenprodukten der Chemie- und Stahlindustrie hergestellt wird.
Projekte wie emissionsarmer Zement und energiespeichernder Beton eröffnen die Aussicht auf eine Zukunft, in der unsere Büros, Straßen und Häuser eine wichtige Rolle in einer Welt spielen, die von sauberer Energie angetrieben wird.
Dies ist eine spanische Adaption einer BBC Future-Geschichte. Finden Sie es auf Englisch Hier
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