MIT-Experten bauen Alternative zu Heimbatterien aus Zement • The Register

Forscher am MIT behaupten, einen neuartigen Weg zur Energiespeicherung gefunden zu haben, bei dem sie lediglich Zement, etwas Wasser und pulverisierten Ruß – eine kristalline Form des Elements – verwenden.

Die Materialien können geschickt kombiniert werden, um Superkondensatoren zu schaffen, die wiederum zum Bau von stromspeichernden Fundamenten von Häusern, von Straßen, die Fahrzeuge drahtlos aufladen könnten, und als Fundament von Windkraftanlagen und anderen erneuerbaren Energiesystemen dienen könnten – und das alles bei gleichzeitiger Speicherung von Energie überraschend viel Energie, behauptet das Team.

Laut einem in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel könnten 45 Kubikmeter des mit Ruß dotierten Zements genug Kapazität haben, um 10 Kilowattstunden Energie zu speichern – ungefähr die Menge, die ein durchschnittlicher Haushalt pro Tag verbraucht. Ein Betonblock dieser Größe würde etwa 3,5 Meter pro Seite messen und je nach Größe des Hauses könnte der Block theoretisch die gesamte Energie speichern, die ein netzunabhängiges Haus mit erneuerbaren Energien benötigen würde.

„Sie haben das am häufigsten verwendete künstliche Material der Welt, Zement, das mit Ruß kombiniert ist, ein bekanntes historisches Material – die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben“, sagte MIT-Assoziierter Professor für Zivil- und Bauwesen Umweltingenieurwesen, Admir Masic.

„Man hat diese mindestens zwei Jahrtausende alten Materialien, und wenn man sie auf eine bestimmte Weise kombiniert, entsteht ein leitfähiges Nanokomposit, und dann wird es wirklich interessant“, fügte Masic hinzu.

Kondensatoren können Energie speichern, allerdings nicht auf die gleiche Weise wie Batterien.

Während Batterien auf der Umwandlung chemischer Energie in elektrostatische Ladung beruhen, um Energie zu speichern und abzugeben, speichern Kondensatoren Energie in einem elektrischen Feld zwischen leitenden, getrennten Platten. Je perfekter der Isolator im Spalt zwischen den beiden Leitern ist, desto mehr (gleiche, aber entgegengesetzte) Ladung kann in jedem Leiter gespeichert werden. Superkondensatoren, die ionendurchlässige Membranen einschließlich Graphen als Separator verwenden, funktionieren ähnlich.

Bei Anschluss an eine Stromquelle wird Energie in den Platten gespeichert, bei Anschluss an eine Last fließt der Strom jedoch zurück, um Strom zu liefern.

Die Kapazität eines Kondensators oder Superkondensators wird größtenteils, aber nicht ausschließlich, durch die Oberfläche seiner Platten bestimmt. Die MIT-Forscher erklärten, dass das von ihnen untersuchte Material aufgrund der Wechselwirkung von Ruß und Wasser eine außergewöhnlich große innere Oberfläche aufweist.

„Die Hydratationsreaktionen von Zement in Gegenwart von Kohlenstoff erzeugen ein fraktalartiges elektronenleitendes Kohlenstoffnetzwerk, das die tragende zementbasierte Matrix durchdringt“, stellen die Autoren fest. Im Wesentlichen ist ein Block dieses kohlenstoffreichen Zements von hochleitfähigen Rußdrähten durchzogen, die die Oberfläche und damit die Speicherkapazität drastisch vergrößern.

Masic sagte, dass beim Aushärten der Mischung Wasser vom Zement absorbiert wird. Ruß, der stark hydrophob ist, kann nicht auf die gleiche Weise dispergiert werden, daher „assembliert sich der Ruß selbst zu einem verbundenen leitfähigen Draht“.

Nur drei Prozent der Mischung müssen aus Ruß bestehen, damit der ausgehärtete Zement als Superkondensator fungiert. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass eine Rußmischung mit 10 Prozent ideal zu sein scheint. Bei Überschreitung dieses Verhältnisses wird der Zement weniger stabil – was bei einem Gebäude oder Fundament nicht erwünscht ist. Das Team stellt fest, dass eine nichtstrukturelle Nutzung höhere Rußkonzentrationen und damit eine höhere Energiespeicherkapazität ermöglichen könnte.

Das Team hat mit seiner Rußmischung nur eine winzige Ein-Volt-Testplattform gebaut, plant jedoch eine Erweiterung auf Superkondensatoren in der Größe einer 12-Volt-Autobatterie – und schließlich auf den 45-Kubikmeter-Block.

Neben der Verwendung zur Energiespeicherung könnte die Mischung auch zur Wärmebereitstellung genutzt werden – durch die Einspeisung von Elektrizität in das im Zement eingeschlossene leitfähige Kohlenstoffnetzwerk, so das MIT.

„Es besteht ein enormer Bedarf an großen Energiespeichern“, bemerkte Franz-Josef Ulm, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT und Leiter des Beton-Nachhaltigkeitszentrums des MIT. Ulm, einer der Mitautoren des Papiers, erklärte, dass Superkondensatoren, die aus billigeren, häufiger vorkommenden Materialien hergestellt werden, eine große Hilfe bei der weltweiten Umstellung auf erneuerbare Energien sein könnten und den Bedarf an teuren und knappen Materialien wie Lithium eliminieren könnten.

„Unsere Technologie ist äußerst vielversprechend, weil Zement allgegenwärtig ist“, sagte Ulm.

Das MIT-Team sagte, dass seine neue Technologie leicht herzustellen und zu skalieren sei, und Ulm sagte gegenüber The Register, dass „die Entwicklung jetzt beginnt“, um das Produkt auf den Markt zu bringen. Er wies darauf hin, dass der Prozess die Zusammenarbeit von Materialwissenschaftlern, Elektroingenieuren, Bauingenieuren und Architekten erfordert – keine leichte Aufgabe.

Innerhalb von sechs bis neun Monaten will das Ulmer Team das Äquivalent einer 12-V-Autobatterie herstellen, die seiner Meinung nach als „Grundstein für die Energiespeicherung in Häusern“ dienen würde. Wenn alles gelingt, „könnte in vielleicht 18 Monaten der erste Prototyp eines energieautarken Hauses verfügbar sein“, sagte uns Ulm.

Ulm rechnet mit einer etwa dreijährigen Entwicklungszeit, bis der Rußzement für energiespeichernde Fundamente oder im Oberbau von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt. Etwa genauso lange würde es dauern, eine kontaktlose Ladestation für Elektrofahrzeuge mit dem neuen Material zu entwerfen und zu bauen – oder sogar Straßen, die aus dem Material gebaut würden.

„Wenn dies gelingt, wären weitere zwei bis drei Jahre Entwicklungszeit für das dynamische Laden entlang von Autobahnen erforderlich“, so Ulm. Das ist nicht ganz weit hergeholt – kleine Tests zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen sind bereits in Deutschland und Detroit, Michigan geplant –, aber mit traditionellen Formen der Energiespeicherung im Gegensatz zu Zement-Superkondensatoren.

Generell werde es ein Jahrzehnt dauern, bis die Technologie vollständig umgesetzt werden könne, meinte Ulm. Und das „vorausgesetzt, dass alle Akteure“ – wie die Bauindustrie, Energieversorger und staatliche Regulierungsbehörden – „zusammenkommen“ können.

Angesichts der Feindseligkeit gegenüber Klimaschutzinitiativen auf einer Seite des politischen Establishments in den USA könnte dies ein schwieriger Prozess sein. ®

Senden Sie uns Neuigkeiten