O echipă de cercetători din Statele Unite a creat o soluție mai bună de stocare a energiei decât bateriile: cimentul.
Acest material special poate surmonta limitele altor surse regenerabile de energie, conturând perspectiva unui viitor în care birourile, drumurile și casele noastre joacă un rol important într-o lume alimentată de energie curată.
Sursele de energie regenerabilă promit putere nelimitată, furnizată de soare, vânt și apă. Însă soarele nu strălucește mereu, vântul nu bate tot timpul, iar apa nu-i mereu destulă. Aceste surse de energie sunt intermitente, iar în lumea noastră tot mai înfometată de energie asta e o mare problemă.
Din această cauză, avem nevoie de baterii. Însă acumulatorii se bazează pe materiale prețioase, precum litiul, care e greu de procurat și nu acoperă cererea creată de efortul mondial de decarbonizare a sistemelor de energie și de transport.
În toată lumea există 101 mine de litiu, iar analiștii economici sunt pesimiști în privința capacității acestor unități de extracție de a acoperi cererea mondială, notează BBC.
Potrivit specialiștilor în mediu, extracția de litiu folosește multă energie și apă, ceea ce reduce beneficiile trecerii la sursele regenerabile de energie.
Procesul de extracție a litiului poate duce uneori și la scurgerea de substanțe toxice în sursele de apă locale.
În ciuda unor descoperiri recente de rezerve de litiu, furnizarea limitată a acestui material, dependența excesivă de numai câteva mine din întreaga lume și impactul asupra mediului au determinat căutarea de materiale alternative pentru baterii.
Iar aici vin Damian Stefaniuk și colegii săi de la Massachusetts Institute of Technology (MIT), din Statele Unite, cu o soluție. Ei au creat o unitate de stocare a energiei, un supercondensator, folosind trei materiale de bază ieftine: apă, ciment și o substanță asemănătoare funinginei, numită negru de fum - o pulbere compusă din particule fine de carbon amorf, obținută prin depunerea fumului rezultat dintr-o ardere incompletă a gazelor naturale sau a unor materii prime pe bază de hidrocarburi, precum gudronul de huilă.
Ce este un supercondensator și ce poate face
Supercondensatoarele sunt foarte eficiente în stocarea energiei, dar se deosebesc de baterii în câteva privințe.
Pot stoca energia mult mai rapid decât o baterie litiu-ion și nu au același grad de degradare a performanței. Însă pierd puterea mai repede, ceea ce le face mai puțin utile în dispozitive precum telefoanele mobile, laptopuri sau mașini electrice, care au nevoie de o aprovizionare constantă cu energie pe o perioadă lungă de timp.
Stefaniuk spune că supercondensatoarele pe bază de carbon și ciment ar putea aduce o contribuție importantă la eforturile de decarbonizare ale economiei mondiale.
"Dacă tehnologia poate fi extinsă, atunci poate rezolva o problemă importantă - stocarea de energie regenerabilă", spune el.
Cercetătorii de la MIT și de la Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, din cadrul Harvard University, au în vedere mai multe aplicații pentru supercondensatorii lor.
Una ar putea fi crearea de drumuri care stochează energia solară și apoi eliberarea acesteia pentru a reîncărca wireless mașinile electrice în timp ce circulă. Eliberarea rapidă a energiei din supercondensatorul carbon-ciment ar permite vehiculelor să obțină un impuls rapid al bateriilor.
Altă aplicație ar fi realizarea unor fundații sau structuri de rezistență pentru case și alte clădiri: "Să aibă pereți, fundații sau coloane care sunt utile nu numai în susținerea unei structuri, ci și prin faptul că energia este stocată în interiorul lor", explică Stefaniuk.
Proiecte precum cimentul cu emisii reduse și betonul care stochează energie conturează perspectiva unui viitor în care birourile, drumurile și casele noastre joacă un rol important într-o lume alimentată de energie curată.
Cercetarea este, însă, în fază incipientă.
Deocamdată, supercondensatorul din ciment poate stoca puțin sub 300 de wați-oră pe metru cub. Suficient pentru a alimenta un bec LED de 10 wați timp de 30 de ore.
Puterea de ieșire poate părea scăzută în comparație cu bateriile convenționale, dar o fundație de 30-40 de metri cubi de beton ar putea fi suficientă pentru a satisface nevoile zilnice de energie ale unei case de locuit. "Având în vedere utilizarea pe scară largă a betonului la nivel global, acest material are potențialul de a fi extrem de competitiv și util în stocarea energiei", spune Stefaniuk.
Cercetătorii de la MIT au tot mărit prototipul, ajungând la un supercondensator de 12 V. Stefaniuk a reușit să folosească, de asemenea, versiuni mai mari ale acestuia pentru a alimenta o consolă de jocuri portabilă.
Echipa își propune acum să construiască versiuni mai mari, inclusiv una de până la 45 de metri cubi care ar putea stoca aproximativ 10 kWh de energie necesară pentru alimentarea unei case timp de o zi.
Cum funcționează un supercondensator
Supercondensatorul funcționează grație unei proprietăți neobișnuite a negrului de fum, un material cu o conductivitate ridicată. Când negrul de fum este combinat cu pulbere de ciment și apă, se obține un fel de beton plin de rețele de material conductiv, luând o formă care seamănă cu niște rădăcini minuscule și ramificate.
Condensatoarele sunt formate din două plăci conductoare cu o membrană între ele. În acest caz, ambele plăci sunt făcute din ciment cu negru de fum, înmuiate într-o sare electrolit numită clorură de potasiu.
În momentul în care se aplică un curent electric pe plăcile înmuiate în clorură de potasiu, plăcile încărcate pozitiv acumulează ioni încărcați negativ din clorura de potasiu. Și pentru că membrana împiedică schimbul ionilor încărcați între plăci, separarea sarcinilor electrice generează un câmp electric.
Întrucât supercondensatoarele pot acumula cantități mari de încărcare foarte rapid, ar putea fi utile în stocarea excesului de energie produsă de surse regenerabile intermitente, precum cele eoliene și solare. S-ar elimina astfel presiunea de pe rețea în momentele în care vântul nu bate și nici soarele nu strălucește.
"Un exemplu simplu ar fi o casă în afara rețelei, alimentată cu panouri solare: folosind energia solară în timpul zilei și energia stocată în fundație în timpul nopții", explică Stefaniuk.
Ce dezavantaje au supercondensatoarele
Supercondensatoarele nu sunt perfecte. Ele se descarcă rapid și nu sunt ideale pentru o ieșire constantă a curentului, necesară pentru alimentarea unei case pe tot parcursul zilei.
Stefaniuk și colegii săi lucrează la o soluție care să permită reglarea versiunii carbon-ciment prin ajustarea amestecului, dar vor dezvălui detaliile doar când vor finaliza testele și vor publica o lucrare.
Ar putea exista și alte probleme care trebuie depășite - adăugarea de mai mult negru de fum permite supercondensatorului rezultat să stocheze mai multă energie, dar slăbește puțin betonul. Cercetătorii spun că orice utilizare care are un rol structural dar și stocarea energiei ar trebui să găsească un amestec optim de negru de fum.
Cu toate că supercondensatoarele carbon-ciment ar putea ajuta la reducerea dependenței noastre de litiu, ele au propriul impact asupra mediului. Producția de ciment este responsabilă pentru 5-8% din emisiile de dioxid de carbon din activitatea umană la nivel global, iar cimentul de carbon necesar pentru supercondensatori ar trebui să fie proaspăt fabricat decât adaptat în structuri existente.
Cu toate acestea, pare a fi o inovație promițătoare, crede Michael Short, șeful Centrului pentru Inginerie Durabilă de la Universitatea Teesside din Marea Britanie. Vor fi, totuși, necesare mai multe cercetări pentru trecerea acestei inovații din laborator în lumea reală.
Și încă o veste bună: e posibil să existe, deja, o modalitate de a depăși problema cimentului dăunător pentru mediu. Short și colegii lui de la Universitatea Teesside lucrează deja la un ciment cu emisii scăzute, obținut din produsele secundare ale industriilor siderurgice și chimice.
T.D.