Το σκυρόδεμα είναι ίσως το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο δομικό υλικό στον κόσμο. Με λίγη προσαρμογή, θα μπορούσε να βοηθήσει να τροφοδοτήσουμε με ενέργεια τα σπίτια του αύριο.
Σε ένα εργαστηριακό πάγκο στο Cambridge της Μασαχουσέτης, μια στοίβα γυαλιστερών κυλίνδρων από μαύρο σκυρόδεμα βρίσκονται βυθισμένοι σε υγρό και τυλιγμένοι σε καλώδια. Για έναν απλό παρατηρητή, δεν κάνουν πολλά. Αλλά τότε ο Damian Stefaniuk κάνει μια κίνηση. Τα κομμάτια τσιμέντου συνδέονται με ένα LED και ο λαμπτήρας αναβοσβήνει.
«Στην αρχή δεν το πίστευα», λέει ο Stefaniuk, περιγράφοντας την πρώτη φορά που άναψε το LED. «Νόμιζα ότι δεν είχα αποσυνδέσει την εξωτερική πηγή τροφοδοσίας και γι' αυτό το LED ήταν αναμμένο. Καλέσαμε φοιτητές, και καθηγητές για να το δουν, γιατί στην αρχή ούτε αυτοί πίστευαν ότι κάτι τέτοιο θα λειτουργούσε».
Ο λόγος για τον ενθουσιασμό; Αυτό το αβλαβές, σκούρο κομμάτι σκυροδέματος θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας.
Η υπόσχεση των περισσότερων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι αυτή της ατελείωτης καθαρής ενέργειας, που μας χαρίζεται από τον ήλιο, τον άνεμο και τη θάλασσα.
Ωστόσο, ο ήλιος δεν λάμπει πάντα, ο άνεμος δεν φυσάει πάντα, και τα κύματα των θαλασσών δεν είναι πάντα εκεί για να παράγουν την απαραίτητη ενέργεια. Πρόκειται για πηγές ενέργειας που είναι διακοπτόμενες, κάτι που στον διψασμένο για ενέργεια σύγχρονο κόσμο μας, αποτελεί πρόβλημα.
Σημαίνει ότι πρέπει να αποθηκεύσουμε αυτή την ενέργεια σε μπαταρίες όταν αυτή δεν είναι απαραίτητη, έτσι ώστε να μπορούμε να τη χρησιμοποιήσουμε όταν τη χρειαζόμαστε. Αλλά οι μπαταρίες βασίζονται σε υλικά όπως το λίθιο, το οποίο δεν είναι επαρκές για την παραγωγή αυτών των μπαταριών, μιας και υπάρχει ισχυρός ανταγωνισμός από την ανάγκη παραγωγής μπαταριών για ηλεκτρικά οχήματα και συστήματα παραγωγής και μεταφοράς ενέργειας.
Υπάρχουν 101 ορυχεία λιθίου στον κόσμο και οι αναλυτές είναι απαισιόδοξοι σχετικά με την ικανότητα αυτών των ορυχείων να συμβαδίσουν με την αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση. Οι περιβαλλοντικοί αναλυτές σημειώνουν ότι η εξόρυξη του λιθίου απαιτεί πολλή ενέργεια και νερό, τα οποία μειώνουν τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη μετάβαση σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι διαδικασίες που εμπλέκονται στην εξαγωγή λιθίου μπορεί επίσης να οδηγήσουν σε παραγωγή τοξικών χημικών ουσιών που διαρρέουν στα τοπικά αποθέματα νερού.
Παρά τις νέες ανακαλύψεις αποθεμάτων λιθίου, η πεπερασμένη διαθέσιμη ποσότητα αυτής της πρώτης ύλης, η υπερβολική εξάρτηση από μόνο λίγα ορυχεία σε όλο τον κόσμο και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της εξόρυξης του, έχουν οδηγήσει στην αναζήτηση εναλλακτικών πρώτων υλών για την παραγωγή μπαταριών.
Εδώ μπαίνει στην εικόνα ο Stefaniuk και το τσιμέντο του. Αυτός και οι συνάδελφοι του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) βρήκαν έναν τρόπο να δημιουργήσουν μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας γνωστή ως υπερπυκνωτής από τρία βασικά, φθηνά υλικά, νερό, τσιμέντο και μια ουσία που μοιάζει με αιθάλη και ονομάζεται carbon black.
Οι υπερπυκνωτές είναι εξαιρετικά αποδοτικοί στην αποθήκευση ενέργειας, αλλά διαφέρουν από τις μπαταρίες σε ορισμένα σημαντικά σημεία. Μπορούν να φορτιστούν πολύ πιο γρήγορα από μια μπαταρία ιόντων λιθίου και η απόδοση τους δεν υποβαθμίζεται με τους κύκλους φόρτισης. Ωστόσο, οι υπερπυκνωτές απελευθερώνουν γρήγορα την ισχύ που αποθηκεύουν, καθιστώντας τους λιγότερο χρήσιμους για τη φόρτιση συσκευών όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα, οι οποίες απαιτούν σταθερή παροχή ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Ωστόσο, σύμφωνα με τον Stefaniuk, οι υπερπυκνωτές άνθρακα - τσιμέντου θα μπορούσαν να συμβάλλουν σημαντικά στις προσπάθειες για την απεξάρτηση της παγκόσμιας οικονομίας από τον άνθρακα. «Εάν μπορεί να κλιμακωθεί, η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση ενός σημαντικού ζητήματος. Εκείνο της αποθήκευσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές».
Ο Stefaniuk και οι συνάδελφοι του ερευνητές στο MIT και στο Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering του Πανεπιστημίου Harvard, οραματίζονται αρκετές εφαρμογές για τους υπερπυκνωτές τους.
Μια από αυτές θα μπορούσε να είναι η δημιουργία αυτοκινητοδρόμων που αποθηκεύουν την ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια την απελευθερώνουν με σκοπό την ασύρματη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων καθώς διέρχονται από αυτούς τους αυτοκινητόδρομους. Η ταχεία απελευθέρωση ενέργειας από τον υπερπυκνωτή άνθρακα - τσιμέντου θα επέτρεπε την ταχυφόρτιση των οχημάτων. Μία άλλη εφαρμογή θα ήταν η χρήση αυτού του τσιμέντου στα θεμέλια σπιτιών ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας. «Φανταστείτε να υπάρχουν τοίχοι, θεμέλια ή κολώνες, που να είναι ενεργά όχι μόνο για τη δομική σταθερότητα μιας κατασκευής, αλλά και όσον αφορά στην αποθήκευση ενέργειας», λέει ο Stefaniuk.
Αλλά είναι ακόμα νωρίς. Προς το παρόν, ο υπερπυκνωτής σκυροδέματος μπορεί να αποθηκεύσει λίγο λιγότερο από 300Wh/m3, αρκετές για να τροφοδοτήσει έναν λαμπτήρα LED ισχύος 10W για 30 ώρες.
Η ισχύς «μπορεί να φαίνεται χαμηλή σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες, αλλά μια θεμελίωση με 30 - 40 κυβικά μέτρα σκυροδέματος, θα μπορούσε να είναι επαρκής για να καλύψει τις καθημερινές ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας», λέει ο Stefaniuk. «Δεδομένης της ευρείας χρήσης του σκυροδέματος παγκοσμίως, αυτό το υλικό έχει τη δυνατότητα να είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικό και χρήσιμο στην αποθήκευση ενέργειας».
Ο Stefaniuk και οι συνάδελφοι του στο MIT απέδειξαν αρχικά την ιδέα δημιουργώντας υπερπυκνωτές 1V από το συγκεκριμένο υλικό, πριν αυτοί συνδεθούν σε σειρά για να τροφοδοτήσουν ένα LED 3V. Έκτοτε έχουν κλιμακώσει την τεχνολογία, παράγοντας έναν υπερπυκνωτή 12 V. Ο Stefaniuk μπόρεσε επίσης να χρησιμοποιήσει μεγαλύτερες εκδόσεις του υπερπυκνωτή για να τροφοδοτήσει μια φορητή κονσόλα παιχνιδιών.
Και η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να κατασκευάσει μεγαλύτερες εκδόσεις, συμπεριλαμβανομένης μιας μεγέθους έως 45 κυβικών μέτρων που θα μπορούν να αποθηκεύει περίπου 10 kWh ενέργειας που περίπου απαιτείται για την τροφοδοσία ενός σπιτιού για μια ημέρα.
Ο υπερπυκνωτής λειτουργεί λόγω μιας ασυνήθιστης ιδιότητας της αιθάλης (carbon black), η οποία είναι εξαιρετικά αγώγιμη. Η αιθάλη συνδυάζεται με σκόνη τσιμέντου και νερό, παράγοντας ένα είδος σκυροδέματος που διαθέτει στη δομή του δίκτυα αγώγιμου υλικού, τα οποία έχουν μια μορφή που μοιάζει με μικροσκοπικές ρίζες που διακλαδίζονται συνεχώς.
Οι πυκνωτές σχηματίζονται από δύο αγώγιμες πλάκες με μια μεμβράνη ανάμεσα τους. Σε αυτή την περίπτωση, και οι δύο πλάκες είναι κατασκευασμένες από το μίγμα τσιμέντου - άνθρακα, το οποίο ήταν εμποτισμένο σε ένα άλας ηλεκτρολύτη (χλωριούχο κάλιο).
Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα στις εμποτισμένες με άλας πλάκες, οι θετικά φορτισμένες πλάκες συσσωρεύουν αρνητικά φορτισμένα ιόντα από το χλωριούχο κάλιο. Και επειδή η μεμβράνη εμποδίζει την ανταλλαγή φορτισμένων ιόντων μεταξύ των πλακών, ο διαχωρισμός των φορτίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο.
Καθώς οι υπερπυκνωτές μπορούν να συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες φορτίου πολύ γρήγορα, θα μπορούσαν να καταστήσουν την τεχνολογία χρήσιμη για την αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές, όπως ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια. Αυτό θα βοηθούσε στη χρήση αυτής της ενέργειας όταν η παραγωγή των ανανεώσιμων πηγών ελαχιστοποιείται. Όπως λέει ο Stefaniuk, «Ένα απλό παράδειγμα θα ήταν ένα σπίτι εκτός δικτύου που τροφοδοτείται από ηλιακούς συλλέκτες. Σε αυτή την περίπτωση θα γινόταν απευθείας χρήση της ηλιακής ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας και της αποθηκευμένης ενέργειας κατά τη διάρκεια της νύχτας».
Οι υπερπυκνωτές δεν είναι τέλειοι. Επί του παρόντος, παρέχουν τη διαθέσιμη αποθηκευμένη ισχύ πολύ γρήγορα και δεν είναι ιδανικοί για σταθερή παροχή ισχύος, η οποία θα χρειαζόταν για την τροφοδοσία ενός σπιτιού όλη την ημέρα. Ο Stefaniuk λέει ότι αυτός και οι συνάδελφοι του εργάζονται σε μια λύση που θα επιτρέψει τη ρύθμιση των παραμέτρων σύνθεσης του μίγματος τσιμέντου - άνθρακα για την επίλυση των ανωτέρω θεμάτων, αλλά δεν αποκαλύπτουν τις λεπτομέρειες μέχρι να ολοκληρώσουν τις δοκιμές και προχωρήσουν σε σχετική δημοσίευση.
Πιθανόν να υπάρχουν και άλλα προβλήματα που πρέπει να ξεπεραστούν. Η προσθήκη περισσότερης αιθάλης, επιτρέπει στον προκύπτοντα υπερπυκνωτή να αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια, αλλά καθιστά το σκυρόδεμα ελαφρώς πιο αδύναμο. Οι ερευνητές λένε ότι οποιεσδήποτε χρήσεις απαιτούν από το προϊόν να έχει δομικό ρόλο παράλληλα με την αποθήκευση ενέργειας, θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από βελτιστοποιημένη αναλογία αιθάλης.
Και ενώ οι υπερπυκνωτές τσιμέντου - άνθρακα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση της εξάρτησης μας από το λίθιο, έχουν τις δικές τους περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η παραγωγή τσιμέντου είναι υπεύθυνη για 5-8% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από ανθρωπογενείς πηγές και το συγκεκριμένο υλικό που απαιτείται για τους υπερπυκνωτές θα πρέπει να παράγεται αμέσως πριν χρησιμοποιηθεί σε μία κατασκευή, χωρίς να είναι δυνατή η, εκ των υστέρων, προσθήκη του.
Ωστόσο, φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη καινοτομία, λέει ο Michael Short, ο οποίος ηγείται του Κέντρου Βιώσιμης Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Teesside στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η έρευνα «ανοίγει πολλές ενδιαφέρουσες προοπτικές γύρω από τη χρήση του ίδιου του δομημένου περιβάλλοντος ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας», λέει. «Καθώς τα υλικά που απαιτούνται είναι ευρέως διαθέσιμα και η κατασκευή του υλικού σχετικά απλή, αυτή η προσέγγιση θα πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω και θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι ένα πολύ χρήσιμο μέρος της μετάβασης σε ένα καθαρότερο, πιο βιώσιμο μέλλον».
Αλλά θα χρειαστεί περισσότερη έρευνα για την εφαρμογή της τεχνολογίας σε βιομηχανική κλίμακα.
«Συχνά, οι νέες ανακαλύψεις είναι προβληματικές όταν γίνονται σκέψεις για τη μετάβαση από την εργαστηριακή κλίμακα σε μια ευρύτερη ανάπτυξη σε μεγαλύτερες κλίμακες και όγκους. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε πολυπλοκότητες κατασκευής, ελλείψεις πόρων ή μερικές φορές, λόγω της υποκείμενης φυσικής ή χημείας. Επιθυμητές ιδιότητες που είναι παρούσες σε μικρότερες κλίμακες, είναι πιθανόν να αποδυναμωθούν ή και να απουσιάζουν πλήρως σε μεγαλύτερες κλίμακες».
Αλλά μπορεί να υπάρχει τρόπος να ξεπεραστεί το πρόβλημα του μη φιλικού προς το περιβάλλον τσιμέντου, προσθέτει ο Short. Οι συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο Teesside εργάζονται ήδη για ένα τσιμέντο χαμηλών εκπομπών που παράγεται από τα υποπροϊόντα της χαλυβουργίας και της χημικής βιομηχανίας.
Έργα όπως το τσιμέντο χαμηλών εκπομπών και το σκυρόδεμα αποθήκευσης ενέργειας, αυξάνουν την προοπτική ενός μέλλοντος όπου τα γραφεία, οι δρόμοι και τα σπίτια μας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε έναν κόσμο που τροφοδοτείται από καθαρή ενέργεια.
Με πληροφορίες από bbc.com
