Центр — самый распространенный строительный материал в мире. Он также может снабжать наши дома электричеством, считают ученые.
На лабораторном столе Массачусетского технологического института (MTI) стоят цементные цилиндры, залитые жидкостью и перевитые кабелями. Для стороннего наблюдателя – мало что понятно. Но потом Демьян Стефанюк щелкает выключателем. Блоки из искусственного камня подключаются к светодиоду и лампочка оживает.
«Сначала я не поверил, — говорит Стефанюк, описывая, как вспыхнул светодиод. — Я думал, что не выключил внешний источник питания».
Оказывается, этот кусок цемента может стать основой для недорогой системы хранения энергии.
Сегодня наиболее популярными источниками возобновляемой энергии являются ветер, солнце и вода.
Но они работают с перебоями: солнце не всегда светит, ветер не всегда дует, а уровень воды может упасть. Это создает проблему в нашем голодном мире к энергии.
Поэтому энергию приходится хранить в аккумуляторах, основанных на таких материалах, как литий — который часто называют «белым золотом» из-за высокой стоимости.
Литий – один из ключевых компонентов литий-ионных батарей, обеспечивающих питание электромобилей, смартфонов и многих других электронных устройств.
Потребность в этом металле постоянно растет – вместе со спросом на электромобили. Поэтому, по данным Международного энергетического агентства, уже в 2025 году в мире может возникнуть дефицит лития. При этом методы добычи лития часто вызывают споры, поскольку разработка его месторождений занимает несколько лет и плохо влияет на окружающую среду.
Автор фото, HE HONGFU/VCG
Здесь и приходят на помощь Стефанюк и его цемент.
Он с коллегами из Массачусетского технологического института создали устройство хранения энергии (суперконденсатор) из трех дешевых материалов – воды, цемента и технического углерода, или проще говоря – сажи.
Аккумуляторные батареи и конденсаторы предназначены для хранения энергии, но принцип работы у них разный.
Суперконденсаторы могут сохранять больше энергии, чем литий-ионные батареи, и их можно быстро заряжать.
Однако суперконденсаторы имеют гораздо более короткий срок службы, чем литий-ионные батареи, и их плотность энергии значительно ниже. Это делает их менее полезными в таких устройствах, как мобильные телефоны, ноутбуки или электромобили, где требуется стабильная подача энергии в течение длительного времени. газов.
«Если эту технологию удастся масштабировать, она поможет решить важную проблему — хранение возобновляемой энергии», — утверждает ученый.
Автор фото, Damian Stefaniuk
Ученые из Массачусетского технологического института и Института биологической инженерии Висса планируют несколько вариантов применения своих суперконденсаторов.
Первый — для создания дорог, которые будут накапливать солнечную энергию, а затем высвобождать ее для подзарядки электромобилей во время движения.
Другой вариант — фундаменты аккумулирующих энергию домов: «стены, фундамент или колонны, которые не только поддерживают конструкцию, но и сохраняют энергию», — говорит Стефанюк.
Но до этого пока еще далеко. Сейчас цементный суперконденсатор накапливает чуть меньше 300 ватт-часов на кубический метр — этого достаточно, чтобы питать 10-вольтную светодиодную лампочку в течение 30 часов.
Такая мощность «может показаться низкой по сравнению с обычными батареями, но бетонного» фундамента в 30-40 кубических метров достаточно для удовлетворения ежедневных энергетических потребностей жилого дома», — говорит Стефанюк.»
«Учитывая широкое использование цемента во всем мире, этот материал потенциально может стать высококонкурентным и полезным для хранения энергии «.
Принцип работы конденсатора — прост.
Он состоит из двух электропроводящих пластин, погруженных в электролит и разделенных мембраной. И работает благодаря высокой проводимости технического углерода. Ответвления напоминают корневую систему деревьев, которая заполняет чрезвычайно большую площадь поверхности.
Готовый материал пропитывают стандартным электролитом, например хлорид калия (разновидность соли), который обеспечивает образование заряженных частиц, накапливающихся в углеродных структурах.
Когда пропитанные солью пластины подают электрический ток, образуется электрический двойной слой, что позволяет сохранять большое количество энергии.
Поэтому такое устройство может оказаться полезным для накопления избыточной зеленой энергии. Это позволит снизить нагрузку на сеть в периоды, когда ветер не дует и солнце не светит.
«Простым примером может быть автономный дом, питающийся от солнечных панелей: днем в ход идет солнечная энергия, а ночью — энергия, сохраненная, например, в фундаменте», — объясняет Стефанюк.
Автор фото, Getty Images
Суперконденсаторы – не идеальны. Они быстро заряжаются, но и быстро отдают заряд.
Поэтому не могут обеспечить стабильное питание дома в течение дня.
Стефанюк говорит, что они с коллегами работают над решением, которое позволит улучшить их углеродное -цементную версию путем корректировки смеси.
Могут возникнуть и другие проблемы: добавление большего количества технического углерода позволяет суперконденсатору сохранять больше энергии, но делает бетон немного слабее.
Но это еще не все.
Углеродно-цементные суперконденсаторы негативно влияют на окружающую среду. На производство цемента приходится 5-8% мировых выбросов углерода.
Эта проблема поможет решить производство цемента с низким уровнем выбросов, считает Майкл Шорт из Тиссайдского университета.
Его коллеги уже работают над разработкой. «чистого» цемента из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.
Такие проекты, как производство безуглеродного цемента и энергоаккумулирующего цемента, открывают перспективу, в которой наши офисы, дороги и дома будут функционировать на экологически чистой энергии, резюмирует ученый.
