O echipă de ingineri din SUA a creat betonul condensator, cu rol de baterie, stocând electricitate în pereţii caselor

Betonul e unul din cele mai cunoscute elemente din lume, care stă la baza construcţiilor de aproape toate tipurile imaginabile. Cum ar fi, însă, ca acelaşi beton să poată avea încă un rol adiţional, asigurând una din cele mai necesare utilităţi moderne pentru omenire — cea de stocare a electricităţii? Cum ar fi un perete al casei să aibă rol de baterie, care să stocheze suficientă electricitate cât să acopere tot consumul necesar pentru 24 ore, de exemplu? Aproape că n-ar fi mai nevoie de baterii precum Powerwall, iar toate casele construite din asemenea beton ar putea trage electricitate din reţea pe timp de noapte, când cererea e mai mică, sau ziua când e supraproducţie de electricitate din surse solare, încărcându-şi pereţii cu electricitate, pentru a o livra a orele de consum maxim şi a echilibra astfel cererea în reţea. Ei bine, ceea ce vorbim aici nu o e teoretizare utopică, ci o nouă elaborare a unei echipe de ingineri din SUA, de la universitatea MIT şi institutul Wyss.

Invenţia despre care vorbim acum e o continuitate a uneia anunţate de aceeaşi echipă acum doi ani, în 2023, despre care noi am scris atunci şi a trezit un mare interes al cititorilor noştri. Atunci inginerii explicau că soluţia lor se bazează pe ideea de crea un „super capacitor” pe bază de ciment şi carbon. Noţiunea de „capacitor” e folosită în română des în ultimul timp, dar ea are, de fapt, un termen cunoscut fizicienilor de mult mai mult timp — condensator. Esenţa unui condensator e în stocarea 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, însă avantajul lor e în faptul că ele îşi pot descărca această energie foarte repede şi o pot capta la fel de repede. În ultimii ani, s-au dezvoltat mult şi super condensatorii, care pot stoca mult mai multă electricitate, multiplicând şi avantajul de a o putea descărca foarte repede până la parametri foarte mari de putere. Odată cu această dezvoltare, super condensatorii şi-au găsit o aplicare foarte largă în motorsport, spre exemplu, unde maşinile cu acest sistem pot obţine un boost imens de putere electrică la ieşirea dintr-un viraj, având un super condensator mult mai mic şi mai uşor decât o baterie mare.

Acelaşi principiu de condensator a rămas valabil şi acum, doar că în decursul acestor doi ani, echipa de ingineri, condusă de Franz-Josef Ulm, Admir Masic şi Yang-Shao Horn, a reuşit să îmbunătăţească performanţele tehnologiei de 10 ori şi s-o aducă în pragul unei producţii de serii.

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

Este, aşadar, exemplul unei idei fascinant de promiţătoare, care nu s-a pierdut în timp şi care are continuitate, iar peste doi ani putem scrie despre faptul că ea a ajuns la parametri care-i indică o maturitate suficientă pentru producţia de serie. Să vedem cum funcţionează ea, deci.

Materialele folosite pentru a forma betonul cu rol de baterie sunt cimentul obişnuit, apa şi negrul de fum — un soi de praf fin format preponderent din carbon, cu nanoparticule. Amestecarea lor în procesul de producţie a betonul face ca atunci când betonul să usucă acest negru de fum cu nanoparticule adăugate în ele să creeze o textură printre structura de bază a betonului, ca o reţea conductoare de electroni. Această reţea conductoare ia rolul de armătură conductoare din componenţa unui condensator, deci de electrod.

Foto: Negru de fum, format preponderent din carbon

Dacă în prima lor iteraţie, de acum doi ani, se încercase „injectarea” electroliţilor alături electrozi, atunci în noua interpretare s-au încercat mai multe tipuri de electroliţi, inclusiv apa salină de mare, dar în cele din urmă s-a ajuns la soluţia de a folosi săruri cuaternare de amoniu. Şi modul de construcţie finală a acestor pereţi se poate face prin două metode.

E nevoie să se toarne betonul cu negru de fum şi acele nanoparticule în el în două straturi exterioare în rol de electrozi, iar în interior se aplică folii separatoare poroase, şi în spaţiul intern se toarnă beton cu săruri cuaternare de amoniu, în rol de electrolit. Când se usucă betonul exterior, acea reţea asigură că toate acele particule funcţionează împreună ca un element unitar cu rol de electrod. În mijloc, sărurile de amoniu sunt parţial absorbite de porii cimentului şi când se usucă acesta rămân într-o stare de conductivitate pentru ioni, cu rol de electrolit, iar astfel, din cele 3 straturi esenţiale şi separatoarele electrolitului se asigură şi funcţia de condensator.

Turnarea pe şantier a trei straturi pentru un asemenea perete poate fi mai dificilă, de asta e mai mare eficienţa dacă acest proces are loc într-o fabrică, într-o abordare de perete prefabricat, livrat la şantier pentru a fi integrat în construcţia case. Separarea poate fi făcută pe plan vertical sau orizontal, iar la marginile electrozilor mai e nevoie de amplasat şi foliile colectoare de curent.

Datorită metodei mai simple de a produce electroliţii, electrozii au putut fi făcuţi mai denşi, iar asta a crescut capacitatea de stocare de 10 ori acum. Dacă anterior, acum doi ani, echipa de ingineri declara că pentru a stoca 10 kWh de electricitate e nevoie de 45 metri cubi de beton construit astfel, acum acelaşi volum poate stoca 100 kWh. Iar dacă s-a dori doar 10 kWh, e suficient un perete de doar 4,5-5,0 metri cubi de beton. Asta ar fi echivalentul unui singur perete din fundaţia sau subsolul unei case, spre exemplu. Iar 10 kWh e o capacitate catalogată în SUA ca una suficientă pentru a acoperi 24 ore din consumul mediu al unei case.

Pentru că energia e stocată după principiul de condensator, durata de viaţă e imensă, cu mult mai mare decât cele câteva mii de cicluri a unei baterii litiu-ion. De fapt, nou beton baterie poate rezista peste 1 milion de cicluri de încărcare şi descărcare fără degradare de capacitate şi putere.

Mai mult ca atât, acum echipa de ingineri spune că maturizarea acestei tehnologii i-a determinat să o propună şi pentru poduri sau trotuare. Aproape orice construcţii din jurul nostru ar putea avea cel puţin părţi din ele care să fie construite cu beton cu rol de baterie.

Dar până la acest moment din text probabil mulţi dintre cei care au o minimă experienţă de a turna beton, mai ales în fundaţia unei case şi în elementele ei de bază, şi-au pus deja o întrebare absolut logică şi necesară — se poate face asta şi cu armătură, adică se poate turna beton armat cu această tehnologie, dacă tot trebuie turnat pe etape betonul? Or, acele bare din betonul armat sunt realizate din oţel, iar oţelul e conductor de electricitate şi ar scurtcircuita toată bateria.

Ei bine, răspunsul scurt e nu, nu se poate, deşi echipa de ingineri spune, pe de o parte că romanii antici au construit edificii măreţe fără armătura modernă şi se pot face lucruri şi fără ea, iar pe de altă parte, dacă se doreşte armături, barele ar trebui izolate, sau ar trebui separate şi ele pe segmente între electrozi şi electrolit. Doar că atunci, dacă ele n-au continuitate pe întreg peretele, se pierde rolul lor de ranforsare. Deci, incompatibilitatea cu armura face acest beton cu rol de baterie mai puţin aplicabil în construcţiile cu adevărat dure.

Inginerii au făcut şi un mic pod în miniatură construit în formă de arc, ca romanii antici. Au observat şi un fenomen curios, că atunci când supraîncarcă podul şi structura începe a ceda, întâi conductivitatea începe a fi întreruptă, iar lumina alimentară de acest pod începe a licări. Ei spun că astfel se poate diagnostica cu precizie când rezistenţa unui pod trece de limitele structurale şi pe baza acestei tehnologii s-ar putea realiza şi sisteme de siguranţă utile.

Până la urmă, până şi casele obişnuite au pereţi sau segmenţi de pereţi ce nu sunt făcute din beton armat, aşa că tot s-ar putea găsi peretele potrivit care să aibă rolul de baterie. De asemenea, şi la construcţia autostrăzilor există nenumărate elemente care nu sunt făcute din beton armat, şi ar putea lua acest rol. Inginerii spun că potenţialul tehnologiei e uriaş, mai ales acum, când s-a ajuns la o densitate energetică de 10 kWh/5 m3, deci cam 2 kWh/m3. Nu trebuie înlocuite absolut toate structurile, dar există milioane de metri cubi de beton care se toarnă static anual şi care devin structuri inertă. Cu noua tehnologie, toate aceste structuri nou construite ar deveni utile şi ar stoca nişte cantităţi uriaşe de energie la asemenea scară.