الأسمنت وأسود الكربون مرشحان لبناء نظام تخزين طاقة جديد ومنخفض التكلفة.. بديلا للبطاريات

توصلت دراسة جديدة إلى أن اثنين من أكثر المواد التاريخية انتشارًا للبشرية ، وهما الأسمنت وأسود الكربون (اللذان يشبهان الفحم الجيد جدًا) ، قد يشكلان الأساس لنظام تخزين طاقة جديد ومنخفض التكلفة.

يمكن لهذه التكنولوجيا أن تسهل استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة المد والجزر من خلال السماح لشبكات الطاقة بالبقاء مستقرة على الرغم من التقلبات في إمدادات الطاقة المتجددة.

وجد الباحثون أنه يمكن دمج المادتين مع الماء لصنع مكثف فائق – بديل للبطاريات – يمكن أن يوفر تخزينًا للطاقة الكهربائية .

تخزين ما يكفي من الطاقة ليوم كامل

على سبيل المثال، يقول باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذين طوروا النظام أنه يمكن في النهاية دمج المكثف الفائق في الأساس الخرساني للمنزل، حيث يمكنه تخزين ما يكفي من الطاقة ليوم كامل مع إضافة القليل (أو لا) إلى تكلفة الأساس.

ولا يزال يوفر القوة الهيكلية المطلوبة، يتصور الباحثون أيضًا طريقًا خرسانيًا يمكن أن يوفر إعادة شحن بدون تلامس للسيارات الكهربائية أثناء سفرهم عبر هذا الطريق.

تم وصف التكنولوجيا البسيطة والمبتكرة في مجلة PNAS ، في ورقة بحثية أعدها أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فرانز جوزيف أولم ، وأدمير ماسيك ، ويانج شاو هورن ، وأربعة آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد ويس.

المكثفات هي من حيث المبدأ أجهزة بسيطة للغاية، تتكون من لوحين موصلين كهربائياً مغموران في إلكتروليت ويفصل بينهما غشاء. عندما يتم تطبيق جهد عبر المكثف، تتراكم الأيونات الموجبة الشحنة من الإلكتروليت على الصفيحة السالبة الشحنة، بينما تتراكم اللوح الموجب الشحنة الأيونات سالبة الشحنة.

نظرًا لأن الغشاء الموجود بين الصفائح يمنع الأيونات المشحونة من الانتقال عبرها، فإن فصل الشحنات هذا يخلق مجالًا كهربائيًا بين الألواح، ويصبح المكثف مشحونًا. يمكن للصفيحتين الحفاظ على هذا الزوج من الشحنات لفترة طويلة، ومن ثم توصيلهما بسرعة كبيرة عند الحاجة، المكثفات الفائقة هي ببساطة مكثفات يمكنها تخزين شحنات كبيرة بشكل استثنائي.

تعتمد كمية الطاقة التي يمكن أن يخزنها المكثف على المساحة الإجمالية لألواحه الموصلة، يأتي مفتاح المكثفات الفائقة الجديدة التي طورها هذا الفريق من طريقة إنتاج مادة قائمة على الأسمنت مع مساحة سطح داخلية عالية للغاية بسبب شبكة كثيفة ومترابطة من المواد الموصلة ضمن حجمها الأكبر.

استخدام مواد غير مكلفة ومتاحة بسهولة في أي مكان

حقق الباحثون ذلك عن طريق إدخال أسود الكربون – عالي التوصيل – في خليط خرساني مع مسحوق الأسمنت والماء، وتركه يجف، تشكل المياه بشكل طبيعي شبكة متفرعة من الفتحات داخل الهيكل، حيث تتفاعل مع الأسمنت، وينتقل الكربون إلى هذه المساحات لصنع هياكل تشبه الأسلاك داخل الأسمنت المتصلب.

تحتوي هذه الهياكل على هيكل شبيه بالفركتلات، مع فروع أكبر تنبت فروعًا أصغر، وتلك التي تنبت حتى أفرع أصغر، وما إلى ذلك، تنتهي بمساحة كبيرة للغاية داخل حدود حجم صغير نسبيًا.

يتم بعد ذلك نقع المادة في مادة إلكتروليت قياسية، مثل كلوريد البوتاسيوم، وهو نوع من الملح، يوفر الجسيمات المشحونة التي تتراكم على هياكل الكربون.

وجد الباحثون أن قطبين مصنوعين من هذه المادة، مفصولان بمساحة رقيقة أو طبقة عازلة، يشكلان مكثفًا فائقًا قويًا للغاية.

تعمل لوحتا المكثف تمامًا مثل قطبي بطارية قابلة لإعادة الشحن ذات جهد مكافئ، عند الاتصال بمصدر للكهرباء، كما هو الحال مع البطارية، يتم تخزين الطاقة في الألواح، ثم عند توصيلها بحمل، يتدفق التيار الكهربائي للخارج لتوفير الطاقة.

يقول ماسك: “المادة رائعة ، لأن لديك أكثر المواد التي صنعها الإنسان استخدامًا في العالم، الأسمنت ، الذي يتم دمجه مع أسود الكربون، وهي مادة تاريخية معروفة – تمت كتابة مخطوطات البحر الميت معها، لديك هذه المواد التي يبلغ عمرها ألفي عام على الأقل، والتي عندما تجمعها بطريقة معينة، تتوصل إلى مركب نانوي موصل ، وعندها تصبح الأشياء مثيرة للاهتمام حقًا”.

عندما يتماسك الخليط وعلاجه ، يقول ، “يتم استهلاك الماء بشكل منهجي من خلال تفاعلات ترطيب الأسمنت، ويؤثر هذا الترطيب بشكل أساسي على جزيئات الكربون النانوية لأنها كارهة للماء (طارد الماء)”، مع تطور الخليط ، “يتجمع أسود الكربون ذاتيًا في سلك موصل متصل”، كما يقول.

هذه العملية قابلة للتكرار بسهولة، باستخدام مواد غير مكلفة ومتاحة بسهولة في أي مكان في العالم، كما أن كمية الكربون المطلوبة صغيرة جدًا – أقل من 3٪ من حجم الخليط – لتحقيق شبكة الكربون المتسرب ، كما يقول ماسيك.

إمكانات كبيرة للمساعدة في انتقال العالم إلى الطاقة المتجددة

يقول أولم، إن المكثفات الفائقة المصنوعة من هذه المادة لديها إمكانات كبيرة للمساعدة في انتقال العالم إلى الطاقة المتجددة، تنتج المصادر الرئيسية للطاقة الخالية من الانبعاثات، وطاقة الرياح ، والطاقة الشمسية، وطاقة المد والجزر إنتاجها في أوقات متغيرة لا تتوافق غالبًا مع ذروة استخدام الكهرباء ، لذا فإن طرق تخزين هذه الطاقة ضرورية.

يقول: “هناك حاجة كبيرة لتخزين طاقة كبيرة”، والبطاريات الحالية باهظة الثمن وتعتمد في الغالب على مواد مثل الليثيوم ، الذي يكون إمداداته محدودة، لذا هناك حاجة ماسة إلى بدائل أرخص.

يقول أولم: “هذا هو المكان الذي تكون فيه تقنيتنا واعدة للغاية، لأن الأسمنت موجود في كل مكان”.

كتلة من الخرسانة النانوية المطلية بالكربون الأسود توفر استخدام أسرة في اليوم

حسب الفريق، أن كتلة من الخرسانة النانوية المطلية بالكربون الأسود والتي يبلغ حجمها 45 مترًا مكعبًا (أو ياردة) – أي ما يعادل مكعبًا بعرض 3.5 مترًا – سيكون لها سعة كافية لتخزين حوالي 10 كيلوواط/ ساعة من الطاقة، وهو يعتبر متوسط ​​الاستخدام اليومي للكهرباء للأسرة.

نظرًا لأن الخرسانة ستحتفظ بقوتها، يمكن للمنزل الذي يحتوي على أساس مصنوع من هذه المادة تخزين طاقة يومية تنتجها الألواح الشمسية أو طواحين الهواء والسماح باستخدامها عند الحاجة، ويمكن شحن المكثفات الفائقة وتفريغها بسرعة أكبر بكثير من البطاريات.

بعد سلسلة من الاختبارات المستخدمة لتحديد النسب الأكثر فاعلية للأسمنت وأسود الكربون والماء ، أظهر الفريق العملية من خلال صنع مكثفات فائقة صغيرة ، بحجم بعض بطاريات الخلايا الزر ، بعرض حوالي 1 سم وسمك 1 ملم ، يمكن شحن كل منها إلى 1 فولت، مقارنة ببطارية 1 فولت. ثم قاموا بتوصيل ثلاثة من هؤلاء لإثبات قدرتها على إضاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بجهد 3 فولت.

بعد أن أثبتوا المبدأ، يخططون الآن لبناء سلسلة من الإصدارات الأكبر ، بدءًا بأخرى بحجم بطارية السيارة النموذجية بجهد 12 فولت، ثم العمل حتى إصدار 45 متر مكعب لإثبات قدرتها على تخزين منزل – تستحق القوة.

ووجدوا أن هناك مفاضلة بين السعة التخزينية للمادة وقوتها الهيكلية. من خلال إضافة المزيد من أسود الكربون، يمكن للمكثف الفائق الناتج تخزين المزيد من الطاقة، لكن الخرسانة أضعف قليلاً، وقد يكون هذا مفيدًا للتطبيقات التي لا تلعب فيها الخرسانة دورًا هيكليًا أو عندما لا تكون القوة الكامنة الكاملة للخرسانة مطلوبة.

بالنسبة للتطبيقات مثل الأساس، أو العناصر الهيكلية لقاعدة توربينات الرياح ، فإن “البقعة الحلوة” هي حوالي 10٪ من الكربون الأسود في المزيج، كما وجدوا.

طرق خرسانية يمكنها تخزين الطاقة

هناك تطبيق آخر محتمل للمكثفات الفائقة من الأسمنت الكربوني، وهو بناء طرق خرسانية يمكنها تخزين الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية على طول الطريق، ثم توصيل تلك الطاقة إلى المركبات الكهربائية التي تسافر على طول الطريق باستخدام نفس النوع من التكنولوجيا المستخدمة في الهواتف القابلة لإعادة الشحن لاسلكيًا.

يتم بالفعل تطوير نوع ذي صلة من أنظمة إعادة شحن السيارة من قبل شركات في ألمانيا وهولندا، ولكن باستخدام بطاريات قياسية للتخزين.

الأولية لهذه التقنية قد تكون للمنازل أو المباني أو الملاجئ المعزولة

يقول الباحثون إن الاستخدامات الأولية لهذه التقنية قد تكون للمنازل أو المباني أو الملاجئ المعزولة بعيدًا عن شبكة الطاقة، والتي يمكن أن تعمل بألواح شمسية متصلة بمكثفات الأسمنت الفائقة.

يقول أولم إن النظام قابل للتطوير للغاية ، حيث إن سعة تخزين الطاقة هي وظيفة مباشرة لحجم الأقطاب الكهربائية. “يمكنك الانتقال من أقطاب كهربائية بسماكة 1 مليمتر إلى أقطاب كهربائية بسمك متر واحد ، ومن خلال القيام بذلك بشكل أساسي يمكنك توسيع سعة تخزين الطاقة من إضاءة مصباح LED لبضع ثوانٍ ، إلى تشغيل منزل كامل ،” كما يقول.

اعتمادًا على الخصائص المطلوبة لتطبيق معين، يمكن ضبط النظام عن طريق ضبط الخليط، بالنسبة لطريق شحن المركبات، ستكون هناك حاجة إلى معدلات شحن وتفريغ سريعة جدًا، بينما لتشغيل المنزل “لديك يوم كامل لشحنه” =، لذلك يمكن استخدام مواد شحن أبطأ ، كما يقول أولم.

ويضيف: “إنها حقًا مادة متعددة الوظائف”، إلى جانب قدرتها على تخزين الطاقة في شكل مكثفات فائقة، يمكن استخدام نفس النوع من خليط الخرسانة كنظام تدفئة، ببساطة عن طريق تطبيق الكهرباء على الخرسانة المربوطة بالكربون.

يرى أولم هذا على أنه “طريقة جديدة للتطلع إلى مستقبل الخرسانة كجزء من انتقال الطاقة”.