O echipă de ingineri din SUA a creat un super capacitor pe bază de ciment şi carbon, care poate transforma betonul caselor în baterie

În tendinţa actuală a omenirii de a trece la energie regenerabilă, capacităţile de a stoca energia generată cu intermitenţe au un rol determinant, or, dacă energia eoliană e disponibilă doar când e vânt, iar cea solară doar ziua, iar noi am avea nevoie mai mare de ea seara şi dimineaţa, e important să putem stoca cât mai eficient şi ieftin acea energie, preferabil prin soluţii care sunt durabile în timp şi nu necesită înlocuirea după câţiva ani. O echipă de ingineri de la Universitatea MIT şi institutul Wyss din SUA, tocmai au anunţat o soluţie neaşteptată şi curioasă de stocare a electricităţii.

Soluţia lor reprezintă un super capacitor pe bază de ciment şi carbon. Noţiunea de capacitor e folosită în română mai mult în ultimul timp, când ea are, de fapt, un termen cunoscut fizicienilor de mult mai mult timp — condensator. Esenţa unui condensator e în stocare a electricităţii sub formă de câmp magnetic între două armături conductoare, ambele cu aceeaşi sarcină electrică, dar cu polaritate diferită.

Foto: Condensatoare obişnuite

De obicei, condensatoarele pot stoca valori mici de energie, comparativ cu volumul lor, iar cifrele mai depind de tipul acestora. Avantajul lor era în faptul că ele îşi pot descărca această enegie foarte repede şi o pot capta la fel de repede. În ultimii ani, s-au dezvoltat mult super capacitorii, sau super condensatorii, care pot stoca mult mai multă electricitate, păstrând avantajul de a o putea descărca foarte repede. Odată cu această dezvoltare, super condensatorii şi-au găsit o aplicare foarte largă în motorsport, pe maşinile hibride.

Maşinile din Le Mans, din clasa LMP1, folosesc super condensatori de mulţi ani încoace, încă de la apariţia Toyotei în peisaj şi participările de acum mai mulţi ani ale Porsche. Mai mult ca atât, până şi în Formula 1, sistemul KERS, când piloţii pot avea un boost de putere electrică de scurtă durată, e bazat tot pe super capacitori. Şi în toate aceste discipline de motorsport, avantajul lor esenţial constă în capacitatea lor de a recepţiona puteri uriaşe de electricitate foarte rapid la încărcare (la frânarea înainte de viraje, de exemplu), şi descărcarea rapidă a condensatorului, cu trimiterea energiei spre electromotor. Astfel, poţi asigura de exemplu un boost de 60 kW pe termen scurt, sau vreo 82 CP, dintr-un supercapacitor de stochează doar mai puţin de 1 kWh de electricitate. O baterie litiu-ion atât de mică în capacitatea de stocare n-ar putea să se descarce cu o putere de 60 kW, însă super capacitorul o poate face.

Foto: Maşini de Formula 1, care folosesc super condensatori în sistemul lor KERS

Aşadar, în motorsport aceste super condensatoare se folosesc intens, ele având şi avantajul de a permite păstrarea greutăţii mici a maşinii datorită dimensiunilor mici, dar şi rezilienţa la foarte multe cicluri de încărcare şi descărcare. Hai să vedem, deci, în ce constă super condensatoarele pe bază de ciment şi carbon, anunţate acum de echipa de ingineri din SUA, şi cum pot acestea schimba esenţial eficienţa energetică acolo unde vor fi aplicate.

Echipa de ingineri, condusă de Franz-Josef Ulm, Admir Masic şi Yang-Shao Horn, a dezvoltat acum super condensatoare demonstrative de dimensiuni relativ mici, care pot fi văzute în imaginea de mai sus. Esenţa acestora e materialul din care acestea sunt produse, pentru a demonstra viabilitatea lui.

Foto: Franz-Josef Ulm, Admir Masic şi Yang-Shao Horn

Practic, super condensatoare sunt compuse dintr-un amestec de ciment şi carbon, negru de fum (un produs format majoritar din carbon) şi carbon pietrificat, de exemplu cărbune sau un echivalent. Iar asta înseamnă că şi carbonul extras din aer, sub formă de dioxid de carbon ce ajunge a fi pietrificat, cu scopul de a fi îngropat în adâncuri şi astfel de a reduce concentraţia de CO2 din aer ar putea fi teoretic folosit în componenţa acestui condensator, dacă ar fi separat de oxigen. Cert e că inginerii de la cele două universităţi au reuşit să creeze o mixtură uşor poroasă, porii fiind formaţi natural la amestecarea corectă. Prezenţa carbonului între reţeaua poroasă a cimentului permite formarea unei reţele fractale interioare, care, fiind interconectată, creează structura necesară pentru a asigura efectul de condensator.

Foto: Aşa arată o fabrică de extracţie a CO2 din aer cu pietrificarea lui ulterioară

Procesul de amestecare corectă şi uscare durează acum 28 de zile, uscarea având loc lent, izolată cu plastic temporar, pentru a păstra reţeaua internă intactă. Apoi materialul rezultat, ce aminteşte de betonul de construcţie, este tăiat după forma dorită şi înmuiat într-o soluţie de electrolit, de exemplu clorură de potasiu, iar două asemenea blocuri tăiate devin electrozi, şi, fiind puse alături, cu o membrană izolatoare între ele. Cele două blocuri conectate la sarcină — unul la sarcină pozitivă, iar altul la negativă, iar întreaga construcţie devine astfel un super condensator.

Foto: Structura interioară a noului condensator pe bază de ciment şi carbon

Iar aici vin principalele curiozităţi. Ceea ce am vorbit mai sus despre construcţia noului super condensator înseamnă că el e produs efectiv doar din amestec normal de ciment, nisip şi apă, ca un beton obişnuit, la care se mai adaugă pulberea de carbon de diferite variaţii, care, odată amestecată, îşi formează o reţea în interiorul cimentului şi, efectiv al betonului, cheia fiind în uscarea lentă a betonului final, pentru a păstra reţeaua formată de carbon intactă. Inginerii Franz-Josef Ulm, Admir Masic şi Yang-Shao Horn spun că acest amestec, şi procesul de mai sus, permite construite unei întregi fundaţii de casă, spre exemplu, cu asemenea beton cu rol de super condensator. Poţi face straturi groase de beton, poţi face suprafeţe mari, deci scalarea posibilă e uriaşă. Iar în rezultat, fundaţia casei tale devine efectiv o baterie de stocare a electricităţii, având totodată şi rolul său primar de element de structură în construcţie.

Inginerii anunţă şi cifre. Aşa cum spuneam super condensatorii nu stochează electricitatea atât de dens ca o baterie litiu-ion, aşa că o fundaţie de casă făcută din asemenea beton ar avea nevoie de 45 de metri cubi pentru a stoca 10 kWh de electricitate. Dacă ne-am gândi la o casă cu suprafaţa la sol de 10 m x 10 m, ar însemna o suprafaţă de 100 metri pătraţi a fundaţiei, iar la o înălţime de 45 cm a elementului din asemenea beton din fundaţie, el ar avea 10 kWh capacitate de stocare. Dacă decizi să faci grosime dublă, sau ai suprafaţă mai mare, sau mai foloseşti asemenea beton şi-n alte elemente de structură, spre exemplu pereţi separatori verticali, dar izolaţi electric ulterior, atunci capacitatea de stocare a unei case poate creşte la 20-30 kWh. Inginerii spun că materialul lor permite electrozi de la 1 mm grosime (deci vreo 3 mm grosimea capacitorului) până la 1 metru grosime a unui electrod, deci peste 2 metri grosime a unui capacitor.

Un neajuns al tuturor super condensatorilor este că ei nu pot stoca energia pe termen foarte îndelungat, deci şi aici logica e să poţi folosi electricitatea stocată în fundaţia casei în timp de 24-48 ore, de exemplu. Poţi stoca cei 10-20 kWh sau 30 kWh de la panourile fotovoltaice pe timp de zi şi le poţi folosi seara şi dimineaţa, iar astfel ai o casă care-şi stochează local energia, fără nevoia unei baterii suplimentare. Care e avantajul faţă de o baterie? Unul uriaş, menţionat mai sus — rezistenţa la un număr uriaş de încărcări şi descărcări, ceea ce înseamnă longevitate în timp. Inginerii spun că betonul lor cu rol de condensator rezistă la peste 1 milion de cicluri de încărcare, fără a-şi pierde din proprietăţi! O baterie litiu-ion are 3-5 mii de cicluri prevăzut, unele un pic mai mult. Dar e de ordinul miilor, în timp ce aici e vorba de 1 milion de cicluri. Dacă punem până şi 3-5 cicluri de încărcare şi descărcare în 24 ore, ar însemna că acest beton condensator ar avea o durată de viaţă de 200.000-330.000 zile, sau 547-900 ani! Chiar dacă s-ar folosi şi de 5 ori mai intens decât media de mai sus, tot ar rezista peste un secol.

Şi deoarece super condensatoarele pot asigura o descărcare inclusiv la putere mare, acest beton din fundaţia edificiului poate fi uşor ajustat să dea tensiunea şi puterea electrică dorită în reţea, cu o rezilienţă foarte bună la variaţia sarcinii — spre exemplu când mai conectezi un nou aparat la reţea, care consumă brusc încă 3-5 kW în plus sau chiar mai mult. Cu alte cuvinte, reţeaua casei ar putea asigura toate variaţiile de viaţă reală.

Iar inginerii care au creat acest super condensator bazat pe ciment şi carbon acum îl văd folosit în viitor nu doar în case şi fundaţii, ci şi în blocuri mai mare sau chiar la construcţia drumurilor şi autostrăzilor, unde o autostradă de 10 km sau 100 km lungime devine o reţea de asemenea super condensatoare. Scopul lor ar fi să se folosească acolo unde oricum se pune deja beton în cantităţi mari, transformând acel beton dintr-o structură amorfă într-una productivă energetic.