Znajdź zawartość

Cement i sadza, dwa materiały używane przez ludzkość od tysiącleci, mogą tworzyć podstawę nowoczesnych technologii. Ich odpowiednie połączenie pozwala bowiem na stworzenie... taniego systemu przechowywania energii. Wyobraźmy sobie budynek, w którego fundamentach przechowywana jest energia z umieszczonych na dachu paneli słonecznych, mówią naukowcy z MIT. To właśnie oni stworzyli nowy materiał, który w przyszłości może np. bezprzewodowo ładować samochód elektryczny poruszający się po drodze. Franz-Josef Ulm, Admin Masic, Yang-Shao Horn oraz czworo innych uczonych z MIT i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, stworzyli superkondensator z cementu i sadzy, który opisali na łamach PNAS. Kondensatory to proste urządzenia złożone z dwóch przewodzących płytek zanurzonych w elektrolicie i przedzielonych membraną. Gdy przyłożymy do kondensatora napięcie, dodatnio naładowane jony z elektrolitu zgromadzą się na ujemnie naładowanej płytce, a jony o ładunku ujemnym przylgną do płytki o ładunku dodatnim. Membrana pomiędzy płytkami uniemożliwia migrację jonów, powstaje pole elektryczne pomiędzy płytkami i kondensator jest naładowany. Urządzenie jest w stanie przechowywać energię przez długi czas i bardzo szybko ją uwolnić w razie potrzeby. Superkondensator to kondesator zdolny do przechowywania wyjątkowo dużej ilości ładunków. Pojemność kondensatora zależy od całkowitej powierzchni płytek. W przypadku połączenia cementu i sadzy kluczem do sukcesu było uzyskanie niezwykle dużej powierzchni materiału przewodzącego wewnątrz betonowego bloku. Naukowcy uzyskali to łącząc sadzę, która bardzo dobrze przewodzi prąd, z mieszanką cementową i wodą. Woda, reagując z cementem, w sposób naturalny tworzy sieć kanalików. Sadza migruje przez te kanaliki, tworząc sieć w zastygniętym betonowym bloku. Ma ona strukturę fraktalną. Z większy ramion sieci wyrastają mniejsze, a z nich jeszcze mniejsze i tak dalej. W ten sposób w niewielkiej objętości powstaje sieć materiału przewodzącego o bardzo dużej powierzchni. Wypełniliśmy tym materiałem plastikowe tuby i pozostawiliśmy go do zastygnięcia na co najmniej 28 dni. Później pocięliśmy beton na fragmenty wielkości elektrod, każdą z nich zanurzyliśmy w standardowym elektrolicie (chlorku potasu) i z dwóch elektrod oddzielonych membraną składaliśmy superkondensatory, mówi profesor Ulm. Z obliczeń wynika, że betonowy blok o objętości 45 m3 wykonany z takiego materiału może przechować około 10 kWh energii. To mniej więcej tyle, ile zużywa w ciągu dnia typowe gospodarstwo domowe. Innymi słowy, domek jednorodzinny posadowiony na fundamentach o objętości 45 m3 zyskiwałby system przechowywania energii na cały dzień. To w znacznym stopniu uniezależniłoby gospodarstwo wyposażone w panele słoneczne od zewnętrznych dostawców energii. Nowy materiał mógłby potencjalnie znaleźć też zastosowanie do budowy dróg czy parkingów. Przechowywana w nim energia mogłaby służyć do bezprzewodowego ładowania samochodów elektrycznych. To jednak jeszcze bardziej odległa wizja, niż przechowywanie energii w fundamentach budynków. Olbrzymią zaletą tego systemu jest jego niezwykła skalowalność. W ten sposób można tworzyć zarówno elektrody o grubości 1 mm, jak i 1 metra. Wszystko zależy od tego, jak dużo energii chcemy przechowywać. Co więcej, stosując różne mieszanki można odpowiednio dostosowywać właściwości naszego superkondensatora. W przypadku dróg czy parkingów ładujących samochody elektryczne konieczne byłoby bardzo szybkie ładowanie i rozładowywanie. W przypadku domów proces ładowania i rozładowywania fundamentów może przebiegać znacznie wolniej. W tej chwili naukowcy skupiają się na zbudowaniu betonowego bloku zdolnego do przechowania takiej samej ilości energii, co standardowe akumulatory samochodowe. Superkondensatory nie mają możliwości przechowywania tak dużej ilości energii, co standardowe akumulatory. Mają jednak wiele innych zalet. Można je bardzo szybko ładować i rozładowywać i wytrzymują miliony cykli pracy. Ponadto, w przeciwieństwie do akumulatorów, przechowują energię nie w postaci chemicznej, a w postaci pola elektrycznego. « powrót do artykułu

Akumulatory wysyłane w przestrzeń kosmiczną muszą być bezpieczne, stabilne, wytrzymałe i nie mogą wymagać specjalnych zabiegów. Już wkrótce niklowo-wodorowe urządzenia, które pracują m.in. na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, mogą trafić do klientów na Ziemi. To najbardziej wytrzymałe akumulatory, jakie kiedykolwiek wynaleziono, zapewnia Jorg Heinemann, dyrektor produkującej je firmy EnerVenue. Akumulatory niklowo-wodorowe wytrzymują 30 000 cykli ładowania-rozładowywania, są odporne na samozapłon, ich wydajność energetyczna wynosi 90% i w porównaniu akumulatorami litowo-jonowymi mają wiele zalet w zastosowaniach wielkoskalowych systemów przechowywania energii. Chociażby taką, że o akumulatory niklowo-wodorowe nie trzeba się szczególnie troszczyć. Postały one bowiem z myślą o wieloletniej pracy w przestrzeni kosmicznej, gdzie nie ma możliwości ich wymiany czy przeglądów technicznych. Jeszcze niedawno w tego typu akumulatorach wykorzystywano platynowy katalizator, co skutecznie uniemożliwiało zaoferowanie ich szerszemu gronu odbiorców. Jednak pięć lat temu zespół profesora Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda wykazał, że można w nich zastosować katalizator z niklu, molibdenu i kobaltu, który kosztuje 20 USD za kilogram. Cui stał się współzałożycielem firmy EnerVenue, która rozpoczęła prace nad komercjalizacją kosmicznych akumulatorów. Można było bowiem zrezygnować z platyny, a najdroższym materiałem, jaki jest używany w akumulatorach stał się nikiel. Koszty produkcji akumulatorów niklowo-wodorowych stały się więc porównywalne z kosztami akumulatorów litowo-jonowych. Na początku września EnerVue zaprezentowała swój najnowszy akumulator. To butla długości 1,8 metra i średnicy 15 centymetrów, w którym można przechowywać 3 kWh energii. Zachodzące w pojemniku reakcje są bardzo stabilne. Wodór powstaje podczas reakcji w butli, a maksymalne ciśnienie wewnątrz sięga zaledwie 5% ciśnienia, jakie powstaje w typowym ogniwie paliwowym. Reakcje zachodzące wewnątrz pojemnika mają taką naturę, że gdy ciśnienie rośnie poza maksimum, dochodzi do zamiany wodoru w wodę. Nie istnieje więc mechanizm, który – jak ma to miejsce w akumulatorach litowo-jonowych – mógłby doprowadzić do przegrzania i pożaru. Producent akumulatorów udowodnił to chociażby podczas tzw. testu barbecue. Polega on na umieszczeniu akumulatora w otwartym ogniu. Nie dochodzi wówczas do żadnej awarii. Ponadto akumulatory wyposażono w zawory, więc po przekroczeniu określonej temperatury i ciśnienia, uchodzi z nich para wodna. Dodatkową ich zaletą jest fakt, że mogą pracować w temperaturach od -40 do 60 stopni Celsjusza. To oznacza, że nie potrzebują systemów chłodzenia, ogrzewania czy wentylacji. Na razie akumulatory niklowo-wodorowe wciąż są nieco droższe od akumulatorów litowo-jonowych i charakteryzuje je mniejsza gęstość energetyczna. Jednak mniej skomplikowany proces produkcyjny może zachęcić potencjalnych producentów do spróbowania swoich sił na tym rynku. W tej chwili EnerVenue buduje fabrykę, która początkowo będzie produkowała w ciągu roku akumulatory zdolne do przechowania łącznie 5 GWh. Produkcja docelowa to 20 GWh. Akumulatory niklowo-wodorowe powstały w latach 70. i zastosowano je w przemyśle kosmicznym, gdyż nie było dla nich realnej alternatywy. Akumulatory takie składają się z serii elektrod zamkniętych w pojemniku ciśnieniowym. Katoda zbudowana jest z wodorotlenku niklu, a anodą jest wodór. Podczas ładowania dochodzi do reakcji, w wyniku której powstaje wodór. Podczas rozładowywania, wodór utlenia się i powstaje woda. « powrót do artykułu

Rosnąca popularność samochodów elektrycznych (EV) często postrzegana jako problem dla sieci elektroenergetycznych, które nie są dostosowane do nowego masowego źródła obciążenia. Naukowcy z Uniwersytetu w Lejdzie oraz amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej podeszli do zagadnienia z innej strony. Z analizy wynika, że w ciągu najbliższych lat EV mogą stać się wielkim magazynem energii ze źródeł odnawialnych, stabilizując energetykę słoneczną i wiatrową. Energia z wiatru i słońca to najszybciej rosnące źródła energii. So to jednak źródła niestabilne, nie dostarczają energii gdy wiatr nie wieje, a słońce nie świeci. Z analizy, opublikowanej na łamach Nature Communications, dowiadujemy się, że rolę stabilizatora mogą odegrać samochody elektryczne. Obecnie większość ich właścicieli ładuje samochody w nocy. Autorzy badań uważają, że właściciele takich pojazdów mogliby podpisywać odpowiednie umowy z dostawcami energii. Na jej podstawie dostawca energii sprawowałby kontrolę nad ładowaniem samochodu w taki sposób, by z jednej strony zapewnić w sieci odpowiednią ilość energii, a z drugiej – załadować akumulatory do pełna. Właściciel samochodu otrzymywałby pieniądze za wykorzystanie jego pojazdu w taki sposób, wyjaśnia główny autor badań, Chengjian Xu. Co więcej, gdy pojemność akumulatorów zmniejsza się do 70–80 procent pojemności początkowej, zwykle nie nadają się one do zastosowań w transporcie. Jednak nadal przez wiele lat mogą posłużyć do stabilizowania sieci elektroenergetycznych. Dlatego też, jeśli kwestia taka zostanie uregulowana odpowiednimi przepisami, akumulatory takie mogłyby jeszcze długo służyć jako magazyny energii. Z wyliczeń holendersko-amerykańskiego zespołu wynika, że do roku 2050 samochody elektryczne oraz zużyte akumulatory mogą stanowić wielki bank energii o pojemności od 32 do 62 TWh. Tymczasem światowe zapotrzebowanie na krótkoterminowe przechowywanie energii będzie wówczas wynosiło od 3,4 do 19,2 TWh. Przeprowadzone analizy wykazały, że wystarczy, by od 12 do 43 procent właścicieli samochodów elektrycznych podpisało odpowiednie umowy z dostawcami energii, a świat zyska wystarczające możliwości przechowywania energii. Jeśli zaś udałoby się wykorzystać w roli magazynu energii połowę zużytych akumulatorów, to wystarczy, by mniej niż 10% kierowców podpisało umowy z dostawcami energii. Już w roku 2030 w wielu regionach świata EV i zużyte akumulatory mogą zaspokoić popyt na krótkoterminowe przechowywanie energii. Oczywiście wiele tutaj zależy od uregulowań prawnych oraz od tempa popularyzacji samochodów elektrycznych w różnych regionach świata. Autorzy badań zauważają też, że wielką niewiadomą jest tempo degradacji akumulatorów przyszłości, które będzie zależało m.in. od postępu technologicznego, czy też tempo rozwoju systemów zarządzania energią. Nie wiadomo także, czy nie zajdą radykalne zmiany w samym systemie transportowym. Nie można wykluczyć np. zmiany przyzwyczajeń i rozpowszechnienia się komunikacji zbiorowej czy systemów wspólnego użytkowania pojazdów, na dostępność samochodów i akumulatorów może też wpłynąć rozpowszechnienie się pojazdów autonomicznych. « powrót do artykułu