Цементно-углеродные "батареи": недорогое решение для аккумулирования возобновляемой энергии

Исследователи разработали прототип суперконденсатора из простой смеси цемента, сажи и воды, позволяющий хранить большое количество энергии. Поскольку цемент является одним из наиболее широко используемых материалов в мире, сверхуниверсальное устройство может стать недорогим решением для повышения эффективности систем производства возобновляемой энергии.

Несмотря на свои преимущества с точки зрения долгосрочных затрат и декарбонизации, существующие системы производства энергии из возобновляемых источников имеют свои недостатки. Энергия из возобновляемых источников вырабатывается непостоянно, поэтому ее нелегко адаптировать к пикам спроса на электроэнергию. В связи с этим возникает необходимость аккумулирования вырабатываемой энергии, чтобы использовать ее в нужное время и избежать дисбаланса между производством и спросом. Однако существующие аккумуляторные батареи, как правило, основаны на таких материалах, как литий, запасы которого не только ограничены, но и добыча которого наносит вред окружающей среде.

Недавнее исследование, проведенное в Массачусетском технологическом институте (MIT) и подробно описанное в журнале PNAS, предлагает преодолеть эти проблемы с помощью более подходящего, менее дорогого и более доступного решения для хранения энергии. "Существует огромная потребность в крупномасштабных накопителях энергии. Именно здесь наша технология чрезвычайно перспективна, поскольку цемент распространен повсеместно", — поясняет в своем блоге Франц-Йозеф Ульм, научный сотрудник кафедры гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института.

Решение, предложенное исследователями, представляет собой суперконденсатор, изготовленный из воды и цемента - материалов, легкодоступных во всем мире. При добавлении небольшого количества сажи (продукта сгорания, напоминающего мелкий угольный порошок) полученная структура обеспечивает особенно высокую емкость. Благодаря этому устройству можно эффективно стабилизировать колебания производства в системах возобновляемой энергетики.

Фрактальная электропроводящая сеть

Несмотря на то, что аккумуляторы и конденсаторы способны накапливать энергию, они работают совершенно по-разному. Если аккумуляторы отдают энергию линейно, в результате химической реакции, то конденсаторы отдают ее гораздо быстрее и нелинейно, в результате электростатической реакции.

Конденсаторы состоят из двух проводящих пластин, погруженных в раствор электролита и разделенных изолирующей мембраной. При подаче напряжения на их выводы положительно заряженные ионы накапливаются на отрицательно заряженной пластине, и наоборот. Мембрана препятствует миграции ионов и изменяет распределение электронов в окружающем пространстве. Такое разделение зарядов приводит к увеличению электрического потенциала, который и является энергией конденсатора. Две пластины накапливают полученную энергию и очень быстро отдают ее в случае необходимости. Суперконденсаторы работают по тому же принципу, но обладают чрезвычайно высокой емкостью. Емкость конденсатора зависит от общей площади поверхности его проводящих пластин.

Для создания суперконденсатора ученые, участвовавшие в новом исследовании, разработали метод получения очень высокой площади внутренней поверхности, заключенной в небольшом объеме. Это стало возможным благодаря способности воды естественным образом образовывать разветвленную сеть при контакте с цементом. По мере затвердевания смеси сажа мигрирует по этой сети, образуя нитевидные структуры, похожие на фракталы (ветви развиваются во все более мелкие отростки). Поскольку сажа является гидрофобным материалом, по мере протекания реакций гидратации цемента она самособирается в проводящую сеть.

Из этого материала были сформированы два электрода, разделенные тонким изолирующим слоем. Для запуска электростатических реакций сборка погружалась в стандартную электролитическую смесь на основе хлористого калия. "Этим материалам не менее двух тысячелетий, и если соединить их определенным образом, то получится проводящий нанокомпозит, и вот тут-то все становится по-настоящему интересным", — объясняет Адмир Масич, исследователь из Массачусетского технологического института, работающий в одном отделе с Ульмом. Устройство легко воспроизводимо и имеет значительные преимущества по стоимости. Более того, для формирования проводящей сети достаточно всего лишь 3% сажи (по отношению к общему объему смеси).

Универсальный и недорогой материал

Для проверки эффективности концепции суперконденсатора исследовательская группа разработала несколько суперконденсаторов диаметром около одного сантиметра и толщиной 1 миллиметр, способных накапливать энергию при напряжении около 1 вольта. Три из них были использованы для питания светодиодов с общим напряжением 3 вольта. Было получено, что блока суперконденсаторов объемом 45 куб. м достаточно для хранения 10 киловатт-часов энергии, что эквивалентно суточному потреблению домохозяйства.

Поскольку цемент обладает высоким удельным сопротивлением, дом или здание с фундаментом из этого материала может, например, аккумулировать энергию, вырабатываемую солнечными батареями. Затем эта энергия может быть использована по мере необходимости. В частности, исследователи представляют себе бетонные автострады, которые могут мгновенно заряжать проезжающие по ним электромобили.

Следует, однако, отметить, что существует компромисс между емкостью накопителя и прочностью материала. При высоком содержании сажи суперконденсатор может накапливать больше энергии, но при этом он менее прочен, что не является идеальным вариантом для конструкций, которые должны служить опорой для дорог или домов. Тем не менее, этот показатель (примерно 10% от общей массы) может быть применен в конструкционной основе ветрогенераторов, легкость которых по сравнению с другими инфраструктурами позволит обойтись без очень прочного бетона. Более того, состав смеси может быть скорректирован для каждого конкретного случая, например, в зависимости от необходимости быстрой зарядки аккумуляторов.