Представьте, что в каждом доме, в каждом сооружении был бы запас энергии на 1-2 дня (а возможно, и больше). Что, если бы каждая ветряная турбина могла накапливать энергию, которую она производит, в среднем на день? Насколько выгодным было бы, если бы самый распространенный в мире строительный материал можно было использовать для накопления энергии? Эта перспектива не кажется неправдоподобной, и новое исследование ученых Массачусетского технологического института уже подтвердило эту концепцию.
Материалом является цемент, и эти исследователи продемонстрировали, что они могут превратить цемент в суперконденсатор с помощью другого распространенного материала – технического углерода. Конденсатор – это устройство, в котором две проводящие пластины разделены изолирующим слоем. Это позволяет накапливать отрицательный заряд на положительной пластине и положительный заряд на отрицательной пластине, при этом разделенные заряды накапливают электрическую энергию. Конденсаторы обладают рядом преимуществ для устройств хранения энергии – они могут накапливать и разряжать энергию очень быстро, они относительно просты в конструкции и имеют практически бесконечные циклы зарядки и разрядки. Но у них также есть один существенный недостаток: они накапливают очень мало энергии на единицу объема или массы.
Как я уже говорил ранее, современные литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии до 265 Вт*ч/кг. Новые литий-ионные аккумуляторы Amprius с кремниевыми анодами имеют плотность энергии 500 Вт*ч/кг. Типичный суперконденсатор (просто конденсатор с высокой плотностью энергии) имеет плотность энергии 16 Втч/кг. Моя предыдущая статья была посвящена суперконденсатору из углеродных нановолокон с плотностью энергии до 73 Втч/кг – очень высокой для суперконденсатора, но все же крошечной по сравнению с ультрасовременными литий-ионными батареями.
Для такого применения, как автомобиль, суперконденсатор просто содержит слишком мало энергии. Но они могли бы дополнить аккумулятор и повысить эффективность рекуперативного торможения. В будущих электромобилях могут быть объединены аккумулятор и суперконденсатор, чтобы получить лучшее из обоих вариантов. Кроме того, если бы кузов самого автомобиля можно было сделать из суперконденсатора, это увеличило бы запас хода и эффективность без увеличения веса автомобиля.
Сетевое хранилище – это совершенно другая ситуация. При использовании сетевого хранилища или резервного хранилища данных для отдельных зданий или сооружений мы не заботимся о весе. У вас может быть тяжелая массивная батарея, которая просто устанавливается в одном месте. Емкость накопителя энергии в расчете на объем важнее, чем на массу, и низкое потребление энергии в расчете на объем приемлемо, если у вас достаточно места. Что, пожалуй, наиболее важно, так это то, что используемое сырье дешевое и его много, а накопители энергии легко производить массово. Что может быть лучше, чем если бы мы могли превратить цемент в суперконденсатор? В мире используется 4 миллиарда тонн цемента в год. Это огромный потенциал для накопления энергии.
Ученые Массачусетского технологического института добавили в цемент технический углерод. При отверждении водой цемент естественным образом образует полости, которые затем заполняются сажей. После затвердевания в изоляционном цементе образуется сетка из проводящего углерода – гигантский конденсатор. Структура сетки также имеет фрактальный характер, с все меньшими и меньшими разветвлениями углерода, что приводит к большой площади внутренней поверхности. Именно площадь поверхности определяет емкость конденсатора. Исследователям нужно было найти оптимальное соотношение цемента, технического углерода и воды, и, похоже, им это удалось. Теперь им нужно продолжать – создавать все более крупные блоки материала и проверять его свойства. Их цель – создать блок из этого цемента объемом 45 кубических ярдов, в котором должно храниться достаточно энергии, чтобы обеспечить работу среднестатистического американского дома в течение одного дня. Это также примерно то же количество цемента, которое используется в фундаменте типичного дома. На самом деле я нашел один расчет, согласно которому эта цифра составляет 66 кубических ярдов.
Теперь начинается самое интересное. Представьте, если все получится, цемент–суперконденсатор увеличится в объеме и его можно будет эффективно производить массово. Тогда каждое новое здание могло бы быть оснащено собственным накопителем энергии, которого хватило бы на 1-3 дня. Фундаменты можно было бы сделать более прочными, чем они должны быть, чтобы максимально увеличить объем цемента-суперконденсатора и, следовательно, накопителя энергии. Каждая ветряная турбина могла бы быть построена на цементной платформе, которая также могла бы накапливать энергию для компенсации колебаний ветра. На таких платформах также можно было бы размещать солнечные батареи. Электростанции могли бы сами по себе быть сетевыми накопителями. Просто подумайте о том, насколько широко распространен цемент – если бы даже небольшая часть этого суперконденсаторного материала была изготовлена из него, это потенциально могло бы удовлетворить наши потребности в сетевых хранилищах.
Мне также нравится задаваться вопросом, насколько эффективной может стать эта технология. Существует привлекательность использования обычных материалов, таких как технический углерод. Но что, если мы объединим эту идею с идеей суперконденсатора из углеродных нанотрубок? Увеличит ли это объем памяти и насколько? Нам не нужно изготавливать длинные нити из углеродных нановолокон, для этого вида наполнителя подойдут только короткие нити с дефектами. Это повышает прочность цемента, а углеродные нанотрубки обладают высокой электропроводностью.
Кроме того, при производстве цемента выделяется много углерода – 1,5% от общего объема выбросов CO2 во всем мире. Это небольшое, но значительное количество. Но уже разрабатываются углеродно-нейтральные формы цемента. Нам нужно объединить эти технологии с технологией суперконденсаторов цемента. А еще лучше, если мы пофантазируем, что, если мы будем улавливать углерод из воздуха или в промышленном производстве и использовать его для производства цемента?
Но я бы с радостью согласился на текущую версию этой технологии, если бы она была масштабируемой и могла быть дешево и эффективно интегрирована в современное производство и использование цемента. Мне не нравится думать об одном-единственном решении сложной проблемы, но эта технология потенциально может стать важным дополнением к нашему переходу к зеленой энергетике. Добавление накопителей энергии является огромным преимуществом при переходе на возобновляемые источники энергии.
