Ihr Zuhause könnte sich bald selbst mit Strom versorgen – mit Beton

Häuser könnten bald Säulen aus mit Holzkohle vermischtem Beton haben, die Strom speichern und bei Bedarf von den Bewohnern abgeben können.

Forschern am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es gelungen, aus weit verbreiteten Materialien einen Superkondensator zu entwickeln, der wie eine Batterie funktionieren kann, aber ihrer Meinung nach anders ist, da er sich durch den Gebrauch nicht verschlechtert Eine kostengünstige und architektonische Möglichkeit, erneuerbare Energien vor der Verschwendung zu bewahren.

Die Innovation kommt zu einer Zeit, in der viele Länder Energiespeichernetze aufbauen, während die Produktion von fossilen Brennstoffen abweicht, um zu verhindern, dass überschüssige erneuerbare Energie bei geringer Nachfrage verschwendet wird, und um den Energiebedarf der Verbraucher bei hoher Nachfrage zu decken.

Doch die Konstrukteure der Beton-Superkondensatoren haben bereits noch ehrgeizigere Einsatzmöglichkeiten der Technologie im Visier: von der Suche nach einer Möglichkeit, Elektrofahrzeuge während der Fahrt aufzuladen, bis hin zum Einschalten des Lichts bei extremen Wetterereignissen.

„Das sind sozusagen die Grenzen, an denen wir gerade mit dieser Technologie arbeiten. Jetzt haben wir gezeigt, wie sie sich skalieren lässt“, sagte Franz-Josef Ulm, Professor für Ingenieurwissenschaften am MIT und Leiter des Projekts Newsweek. „Diese beiden Materialien vereinen sich hier zu einer potenziellen Energiespeicherlösung für alle und überall.“

Wie es funktioniert

Im Gegensatz zu einer Batterie, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, speichert ein Superkondensator elektrische Energie in einem leitfähigen Material – etwa Elektrolyten oder Salzwasser – auf der Oberfläche einer Elektrode.

Dieses leitende Material ist durch ein isolierendes Material getrennt, das verhindert, dass Elektronen wie in einem Stromkreis fließen, was bedeutet, dass sie sich aufbauen – wie die statische Aufladung, die sich aufbaut, wenn man einen Ballon reibt. Aber wie macht man so etwas aus Beton?

„Hier, das Wunder[s] „Wenn man Zement – ​​der wasserliebend und hydrophil ist – mit Ruß mischt, erklärt Ulm [refined charcoal]das Wasser hasst, dann verklumpt zunächst der Ruß und dann wird das gleiche Wasser im Rahmen der Hydratationsreaktion verbraucht, die festen Beton bildet.

„Infolge dieses Verbrauchs lockern sich diese Klumpen und bilden einen volumetrischen Draht im gesamten Material“, fügte er hinzu. „Dieser volumetrische Draht ist überall und daher können wir speichern [an] enorme Gegenladungen von der Salzlösung auf diesen volumetrischen Draht.“

Da Beton von Natur aus porös ist, können diese Poren mit Salzwasser gefüllt werden, verbunden durch den Kohlenstoffdraht, der durch den Beton verläuft. In einer Scheibe zwischen Elektroden sehe es „ein bisschen wie Oreos aus“, sagte Ulm, die in einem Stapel aneinander befestigt werden können.

Ein zentrales Anliegen beim Übergang zu erneuerbaren Energien ist die Verwendung seltener Erdmaterialien wie Lithium, das in einigen wenigen Ländern abgebaut wird, in denen Fragen zu den Auswirkungen auf die Umwelt und die Menschenrechte bestehen, in Batterien in Elektrofahrzeugen bis hin zu Energiespeichereinheiten.

Im Vergleich dazu sind Beton und Holzkohle Materialien, die in den meisten Teilen der Welt weit verbreitet sind – ersteres gilt nach Wasser als das am häufigsten verbrauchte Material. Ulm wies darauf hin, dass das Design eines Superkondensators genau auf „jede Art von Anwendung“ abgestimmt werden könne, da Beton in Pulverform vorliegt.

Zudem handelt es sich um Materialien, die vergleichsweise günstig sind. Während der Preis für Lithium in den nächsten zwei Jahrzehnten voraussichtlich um 4.000 Prozent steigen wird und eine Tonne in den USA 37.000 US-Dollar kostet, kostet das gleiche Gewicht in Beton nur 130 US-Dollar.

Während ein Durchschnitt Obwohl eine Verbraucher-Lithiumbatterie 300 bis 500 Mal geladen und entladen werden kann, sagte Ulm, dass man das mit einem Superkondensator „zig Mal machen kann, ohne an Effizienz zu verlieren“, da er nicht eine Energieform in eine andere umwandeln muss.

Häuser neu gedacht

Wenn Menschen fernsehen wollen, weht nicht unbedingt der Wind oder die Sonne scheint, und das stellt ein Problem für Erzeuger erneuerbarer Energien dar. Da Nachfragespitzen durch Angebotsspitzen ausgeglichen werden, bedeutet dies, dass man sich auch dann noch auf fossile Brennstoffe verlässt, wenn der Energieverbrauch am höchsten ist und eine große Menge erneuerbarer Energie verschwendet wird.

Ursprünglich für Häuser konzipiert, die über eine eigene Windkraftanlage oder Solarpaneele verfügen, sollen die Beton-Superkondensatoren in die Architektur der Häuser integriert werden, um diesem Unterschied Rechnung zu tragen.

„Man lädt es tagsüber auf und nachts nutzt man wie eine Batterie … die Ladung, die tagsüber gespeichert wurde“, sagte Ulm.

Er erklärte, dass die Änderung, ob der Superkondensator für schnelles Laden, etwa mit Windenergie, oder für langsameres Laden, etwa mit Solarenergie, benötigt wird, eine Frage der Anpassung der Betondicke sei. Jeder 3-Zentimeter-Oreo fasst ein Volt, sodass für die standardmäßigen 110 Volt, die für Haushaltsgeräte benötigt werden, eine Säule von knapp 11 Fuß erforderlich wäre – oder ungefähr ein Stockwerk.

“Eine Kolumne [is] „Eine sichtbare Sache, die jeder in seinem Zuhause kennt“, sagte Ulm. „Aber Säulen werden auch für Pfähle in Fundamenten verwendet.“ Sie können sie auch hinlegen – sie müssen nicht kreisförmig sein, sie können quadratisch sein … In diesem Sinne können diese Materialien in diesem Schichtsystem in die Fundamente, die Wände, die Strukturelemente eigentlich eingebaut werden im Haus.”

Er fügte hinzu: „Damit eröffnen wir hier einen neuen Weg der multifunktionalen Gestaltung von Gebäuden, um den Auswirkungen der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.“ Da die Betonproduktion gleichzeitig für 4 bis 8 Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich sei, „hoffen wir durch eine weitere Funktion auch, dass die Produktion von Zement Teil der Lösung im Kampf gegen den Klimawandel wird.“

Allerdings hat nicht jeder ein Solarpanel auf seinem Dach, und die Umstellung auf Batteriespeicher wird durch die Umstellung ganzer Energienetze auf erneuerbare Energien motiviert. Ulm schlug jedoch vor, dass Superkondensatoren aus Beton auch hier Abhilfe schaffen könnten.

„Wenn jeder einen dieser Superkondensatoren in seinem Fundament hätte [or] in ihren Wandsystemen, und sie waren mit dem verbunden [energy] „Wir würden von einem echten Smart Grid sprechen, in dem Sinne, dass es alle einbezieht“, sagte er. „Jeder trägt mit seinem Gebäude dazu bei, die Energiewende zu schaffen.“

Elektrische Alleen

Die Ambitionen von Ulm und seinem Team für ihre konkreten Superkondensatoren enden nicht bei der heimischen Energiespeicherung. Immer mehr Menschen steigen auf Elektrofahrzeuge um, doch mit ihnen gehen Beschwerden über die Ladeinfrastruktur und die Kilometerleistung zwischen den Ladevorgängen einher.

Die MIT-Forscher konzentrieren sich auf die Entwicklung dessen, was Ulm als „selbstladende Straße“ bezeichnet, die, ähnlich wie das Aufladen eines iPhones ohne Kabel, darauf abzielt, „Energie in der Fahrbahnstruktur zu speichern“ und elektromagnetische Induktion auch zum Laden eines Elektrofahrzeugs zu nutzen in einer Parklücke oder auch „während der Fahrt“.

Das Licht anlassen

Mit der Verschärfung des Klimawandels treten immer häufiger extreme Wetterereignisse auf, darunter anhaltende Hitzewellen und sich schnell ausbreitende Waldbrände, tödliche Sturzfluten und beispiellose tropische Stürme.

Wenn viele dieser Wetterphänomene auftreten, wird als Erstes der Strom abgeschaltet. Bei Waldbränden geschieht dies aus Sicherheitsgründen, während bei schweren Stürmen häufig Stromleitungen lahmgelegt werden. Was wäre, wenn ein Haus die in seinen Wänden gespeicherte Energie weiterhin nutzen könnte, anstatt den Generator anwerfen zu müssen?

Ulm sagte, er habe bereits ähnliche Anfragen zum Einsatz der Technologie an der Ostküste während der Hurrikansaison erhalten.

Er scheint zwar davon überzeugt zu sein, dass dies möglich ist, doch je poröser ein Beton ist, desto spröder ist er. Daher arbeitet sein Team an Möglichkeiten, die äußere Struktur der Superkondensatorsäulen zu verstärken, um extremen Wetterbedingungen standzuhalten. „Für diese speziellen Anwendungen wird es einen Sweet Spot geben“, sagte Ulm.