Energiespeicherung mit alten Materialien

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MIT-Ingenieure entwickeln Super-Stromspeicher

Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering (Harvard) haben einen „Superkondensator“ entwickelt, der aus alten, reichlich vorhandenen Materialien besteht und große Mengen an Energie speichern kann. Die lediglich aus Zement, Ruß und Wasser hergestellte Batterie könnte eine kostengünstige und skalierbare Energiespeicherung für Erneuerbare Energiequellen bieten, schreibt David L. Chandler am 31.07.2023 in den MIT News – Grundlage für kostengünstige Systeme, die intermittierend Erneuerbare Energie, wie Sonnen- oder Windenergie, speichern könnten. Da der neue „Superkondensator“-Beton seine Festigkeit beibehält, könnte ein Haus mit einem Fundament aus diesem Material die von Sonnenkollektoren oder Windgeneratoren erzeugte Energie eines ganzen Tages speichern. Zement und Ruß, zwei der historisch am weitesten verbreiteten Materialien, könnten laut einer am 31.07.2023 in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) open access veröffentlichten Untersuchung die Grundlage für ein neuartiges, kostengünstiges Energiespeichersystem bilden.

Klassische Batterien – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Die Technologie könnte die Nutzung Erneuerbarer Energiequellen wie Sonnen-, Wind- und Gezeitenkraft erleichtern, indem sie es ermöglicht, dass Energienetze trotz Schwankungen im Angebot Erneuerbarer Energien stabil bleiben. Die Forscher fanden heraus, dass die beiden Materialien mit Wasser kombiniert werden können, um einen Superkondensator – eine Alternative zu Batterien – herzustellen, der die Speicherung elektrischer Energie ermöglicht. Laut den MIT-Forschern, die das System entwickelt haben, könnte ihr Superkondensator beispielsweise in das Betonfundament eines Hauses eingebaut werden, wo er die Energie eines ganzen Tages speichern könnte, während er die Kosten des Fundaments nur geringfügig (oder gar nicht) erhöht und dennoch die erforderliche strukturelle Festigkeit bietet. Die Forscher stellen sich auch eine Betonfahrbahn vor, auf der Elektroautos berührungslos aufgeladen werden könnten, während sie über diese Straße fahren.

Kondensatoren sind im Prinzip sehr einfache Geräte, die aus zwei elektrisch leitenden Platten bestehen, die in einen Elektrolyten eingetaucht und durch eine Membran getrennt sind. Wenn eine Spannung an den Kondensator angelegt wird, sammeln sich positiv geladene Ionen aus dem Elektrolyt auf der negativ geladenen Platte an, während die positiv geladene Platte negativ geladene Ionen anzieht. Da die Membran zwischen den Platten verhindert, dass geladene Ionen hindurchwandern, entsteht durch diese Ladungstrennung ein elektrisches Feld zwischen den Platten, und der Kondensator wird aufgeladen. Die beiden Platten können dieses Ladungspaar lange Zeit aufrechterhalten und bei Bedarf sehr schnell wieder abgeben. Superkondensatoren sind einfach Kondensatoren, die außergewöhnlich große Ladungen speichern können.

Die Energiemenge, die ein Kondensator speichern kann, hängt von der Gesamtoberfläche seiner leitenden Platten ab. Der Schlüssel zu den neuen Superkondensatoren, die von diesem Team entwickelt wurden, liegt in einer Methode zur Herstellung eines zementbasierten Materials mit einer extrem großen inneren Oberfläche aufgrund eines dichten, miteinander verbundenen Netzwerks aus leitfähigem Material innerhalb seines Volumens.

Die Forscher erreichten das, indem sie den hoch leitfähigen Ruß zusammen mit Zementpulver und Wasser in eine Betonmischung einbrachten und diese aushärten ließen. Das Wasser bildet natürlich ein verzweigtes Netz von Öffnungen in der Struktur, wenn es mit dem Zement reagiert, und der Kohlenstoff wandert in diese Räume und bildet drahtähnliche Strukturen innerhalb des gehärteten Zements. Diese Strukturen haben eine fraktalähnliche Struktur, bei der größere Äste kleinere Äste hervorbringen, die wiederum noch kleinere Äste hervorbringen und so weiter, so dass eine extrem große Oberfläche in einem relativ kleinen Volumen entsteht. Das Material wird dann in ein handelsübliches Elektrolytmaterial wie Kaliumchlorid, eine Art Salz, getaucht, das die geladenen Teilchen liefert, die sich an den Kohlenstoffstrukturen anlagern. Zwei Elektroden aus diesem Material, die durch einen dünnen Zwischenraum oder eine Isolierschicht getrennt sind, bilden einen sehr leistungsfähigen Superkondensator, so die Forscher.

Die beiden Platten des Kondensators funktionieren wie die beiden Pole einer wiederaufladbaren Batterie mit gleicher Spannung: Wenn sie an eine Stromquelle angeschlossen werden, wie bei einer Batterie, wird Energie in den Platten gespeichert, und wenn sie an eine Last angeschlossen werden, fließt der elektrische Strom wieder heraus, um Strom zu liefern.

„Das Material ist faszinierend“, sagt Masic, „denn es handelt sich um das meistverwendete von Menschenhand geschaffene Material der Welt, Zement, der mit Ruß kombiniert wird, einem bekannten historischen Material – die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben. Man hat diese mindestens zwei Jahrtausende alten Materialien, die, wenn man sie auf eine bestimmte Art und Weise kombiniert, ein leitfähiges Nanokomposit ergeben; und das ist der Punkt, an dem es wirklich interessant wird.“

Während die Mischung aushärtet, sagt er: „Das Wasser wird systematisch durch Hydratationsreaktionen des Zements verbraucht, und diese Hydratation wirkt sich grundlegend auf die Nanopartikel aus Kohlenstoff aus, da sie hydrophob (wasserabweisend) sind.“ Während sich die Mischung entwickelt, „baut sich der Ruß selbst zu einem zusammenhängenden leitenden Draht auf“, sagt er. Das Verfahren ist leicht reproduzierbar, denn die Materialien sind preiswert und überall auf der Welt erhältlich. Und die Menge an Kohlenstoff, die benötigt wird, ist sehr gering – nur 3 Volumenprozent der Mischung – um ein durchlässiges Kohlenstoffnetzwerk zu erhalten, sagt Masic.

Superkondensatoren aus diesem Material haben großes Potenzial, den weltweiten Übergang zu Erneuerbaren Energien zu unterstützen, sagt Ulm. Die wichtigsten emissionsfreien Energiequellen – Wind-, Sonnen- und Gezeitenkraft – produzieren ihre Leistung zu variablen Zeiten, die oft nicht mit den Spitzen des Stromverbrauchs übereinstimmen, so dass Möglichkeiten zur Speicherung dieser Energie unerlässlich sind. „Es besteht ein enormer Bedarf an großen Energiespeichern“, sagt er, und die vorhandenen Batterien sind zu teuer und meist auf Materialien wie Lithium angewiesen, deren Vorrat begrenzt ist, so dass billigere Alternativen dringend benötigt werden. „Hier ist unsere Technologie äußerst vielversprechend, denn Zement ist allgegenwärtig“, sagt Ulm.

Das Team berechnete, dass ein Block mit Nanokohlenstoff schwarz dotiertem Beton mit einer Größe von 45 Kubikmetern – das entspricht einem Würfel von etwa 3,5 Metern Durchmesser – genug Kapazität hätte, um etwa 10 kwh Energie zu speichern, was dem durchschnittlichen täglichen Stromverbrauch eines Haushalts entspricht. Außerdem können Superkondensatoren viel schneller geladen und entladen werden als Batterien.

Nach einer Reihe von Tests, in denen das effektivste Verhältnis von Zement, Ruß und Wasser ermittelt wurde, demonstrierte das Team den Prozess, indem es kleine Superkondensatoren von der Größe einiger Knopfzellenbatterien mit einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter und einer Dicke von einem Millimeter herstellte, die jeweils auf ein Volt aufgeladen werden konnten, vergleichbar mit einer 1-Volt-Batterie. Anschließend schlossen sie drei dieser Kondensatoren an, um zu demonstrieren, dass sie eine 3-Volt-Leuchtdiode (LED) zum Leuchten bringen können. Nachdem sie das Prinzip bewiesen haben, wollen sie nun eine Reihe größerer Versionen bauen, zunächst solche von der Größe einer typischen 12-Volt-Autobatterie, dann eine 45-Kubikmeter-Version, um zu demonstrieren, dass sie einen ganzen Haushalt mit Strom versorgen können.

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