ساخت یک ابرخازن جدید با توانایی امکان ذخیره ارزان و مقیاس‌پذیر منابع انرژی تجدیدپذیر

ابرخازن جدیدی که از سیمان، کربن سیاه و آب ساخته شده است، می تواند امکان ذخیره ارزان و مقیاس پذیر منابع انرژی تجدیدپذیر را فراهم کند.

به گزارش ایسنا به نقل از ام آی تی نیوز، پژوهش جدید مهندسان دانشگاه «ام آی تی» (MIT) نشان می دهد دو مورد از رایج ترین مواد باستانی یعنی سیمان و کربن سیاه امکان دارد بتوانند مبنایی برای یک سیستم ذخیره انرژی جدید و کم هزینه باشند. این فناوری میتواند استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد و جزر و مد را تسهیل کند تا پایداری شبکه های انرژی با وجود نوسانات در عرضه انرژی تجدیدپذیر حفظ شود.

پژوهشگران دریافتند این دو ماده را میتوان با آب ترکیب کرد و نوعی ابرخازن را به عنوان جایگزین برای باتری ها ساخت که می تواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند. به طورمثال، مهندسانی که این سیستم را ابداع کرده اند ، می گویند که ابرخازن آنها را در نهایت می توان در شالوده بتنی یک خانه گنجاند تا انرژی یک روز کامل را ذخیره کند، استحکام سازه موردنیاز را تامین کند و در عین حال، هزینه کمی داشته باشد. همچنین، این گروه پژوهشی از یک جاده بتنی صحبت کردند که می تواند شارژ مجدد را برای خودروهای الکتریکی هنگام حرکت در آن جاده فراهم کند.

این فناوری ساده اما نوآورانه توسط «فرانتس جوزف اولم» (Franz- Josef Ulm)، «ادمیر ماسیچ» (Admir Masic) و «یانگ شائو هورن» (Yang- Shao Horn) استادان دانشگاه ام آی تی و با همکاری چهار پژوهشگر دیگر ام آی تی و «موسسه مهندسی بیولوژیکی ویس» (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) ابداع شده است.

خازن ها در اصل دستگاه های بسیار ساده ای شامل دو صفحه رسانای الکتریکی هستند که در یک الکترولیت غوطه ور شده و توسط یک غشا از هم جدا شده اند. هنگامی که ولتاژ در خازن اعمال می شود، یون های دارای بار مثبت الکترولیت در صفحه دارای بار منفی جمع می شوند و صفحه دارای بار مثبت، یون های دارای بار منفی را جمع می کند. از آنجا که غشای بین صفحات مانع انتقال یون های باردار می شود، این جداسازی بارها یک میدان الکتریکی را بین صفحات ایجاد می کند و خازن شارژ می شود. این دو صفحه می توانند شارژ را برای بلندمدت حفظ کنند و سپس در صورت نیاز، آن ها را خیلی سریع تحویل دهند. ابرخازن ها صرفا خازن هایی هستند که می توانند بارهای فوق العاده زيادي را ذخیره کنند.

مقدار نیرویی که یک خازن میتواند ذخیره کند، به سطح کل صفحه های رسانای آن بستگی دارد. کلید ابرخازن های جدید این گروه پژوهشی، از روش تولید ماده ای مبتنی بر سیمان الهام گرفته شده که شبکه ای متراکم و به هم پیوسته از مواد رسانا را در خود جای داده است. پژوهشگران برای این کار، کربن سیاه را که بسیار رسانا است، بهمراه پودر سیمان و آب به مخلوط بتن افزودند.

آب به طور طبیعی در اثر واکنش با سیمان، یک شبکه از منافذ را در سازه تشکیل می دهد و کربن به این فضا انتقال می یابد تا ساختارهای سیم مانندی را در سیمان سفت شده ایجاد کند. سپس، این ماده در یک ماده الکترولیت استاندارد مانند کلرید پتاسیم خیس می شود تا امکان حضور ذرات باردار تجمع یافته روی ساختارهای کربن را فراهم کند. پژوهشگران دریافتند دو الکترود ساخته شده از این ماده که توسط یک فضای باریک یا یک لایه عایق از هم جدا شده اند، یک ابرخازن بسیار قوی را تشکیل می دهند. دو صفحه خازن، درست مانند دو قطب یک باتری قابل شارژ با ولتاژ استاندارد عمل می کنند. زمانی که آنها به یک منبع برق متصل می شوند، انرژی آنها در صفحات ذخیره می شود و سپس، جریان الکتریکی برای تامین برق به بیرون برمی گردد.

ماسیچ گفت:این ماده جذاب است زیرا پرمصرف ترین مواد جهان در آن به کار رفته اند. سیمان با کربن سیاه ترکیب شده که یک ماده شناخته شده از نظر تاریخی است و «طومارهای دریای مرده» (Dead Sea Scrolls) با آن نوشته شده اند. شما این مواد حداقل دو هزار ساله را در اختیار دارید که وقتی آن ها را به شیوه ای خاص ترکیب می کنید، به یک نانوکامپوزیت رسانا می رسید و آن وقت است که همه چیز واقعا جالب می شود.

ماسیچ ادامه داد :همان طور که مخلوط سفت می شود، آب به طور سیستماتیک از طریق واکنش های هیدراتاسیون سیمان مصرف می شود و این هیدراتاسیون اساسا بر نانوذرات کربن تأثیر می گذارد زیرا آنها آب گریز هستند. با تکامل یافتن مخلوط، کربن سیاه به یک سیم رسانا متصل می شود. این فرآیند با موادی که ارزان هستند و به راحتی در هر نقطه از جهان دردسترس قرار دارند، به راحتی قابل تکرار است. مقدار کربن مورد نیاز برای دستیابی به یک شبکه کربن، بسیار کم و به اندازه سه درصد حجم مخلوط است.

اولم گفت:ابرخازن های ساخته شده از این ماده، پتانسیل زيادي را برای کمک کردن در روند انتقال جهان به سوی مصرف انرژی های تجدیدپذیر دارند. همه منابع اصلی انرژی شامل باد، خورشید و نیروی جزرومدی، خروجی خود را در زمان های متغیری تولید می کنند که اغلب با نقاط اوج مصرف برق مطابقت ندارد. بنابراین، در اختیار داشتن راه هایی برای ذخیره این انرژی ضروری است. نیاز زیادی به ذخیره سازی انرژی های بزرگ وجود دارد اما باتری های موجود، هزینه بسیار بالایی دارند و عمدتا به موادی مانند لیتیوم متکی هستند که عرضه آن ها محدود است. بنابراین، ارائه جایگزین های ارزان تر به شدت مورد نیاز است. اینجاست که فناوری ما بسیار امیدوارکننده می شود زیرا سیمان در همه جا وجود دارد.

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه ابرخازن های کربن- سیمان، ساخت بتن هایی است که میتوانند انرژی تولیدشده توسط پنل های خورشیدی را در کنار جاده ذخیره کنند و سپس با استفاده از فناوری مورد استفاده برای تلفن های قابل شارژ بی سیم، آن انرژی را به خودروهای الکتریکی که در امتداد جاده حرکت می کنند تحویل دهند. نوعی سیستم شارژ مجدد خودرو در حال حاضر توسط برخی شرکت ها در آلمان و هلند در حال توسعه است اما از باتری های استاندارد برای ذخیره سازی استفاده می کند.

به گفته پژوهشگران، کاربرد اولیه این فناوری امکان دارد برای خانه ها، ساختمان ها یا پناهگاه های دور از شبکه برق باشد و برق آن ها توسط پنل های خورشیدی متصل به ابرخازن های سیمانی تامین شود.

اولم خاطرنشان کرد که این سیستم بسیار مقیاس پذیر خواهد بود زیرا ظرفیت ذخیره انرژی، یک تابع مستقیم از حجم الکترودها است. وی افزود: بسته به ویژگی های مورد نظر برای یک برنامه ویژه، سیستم را می توان با تغییر دادن مخلوط تنظیم کرد. برای جاده ای که وسیله نقلیه در آن شارژ می شود، به شارژ و دشارژ بسیار سریع نیاز است اما برای برق رسانی به یک خانه، همه روز فرصت دارید تا آن را شارژ کنید. بنابراین، برای خانه میتوان از موادی با شارژ کندتر استفاده کرد.

اولم ادامه داد: این در واقع یک ماده چندمنظوره است. علاوه بر توانایی آن در ذخیره انرژی به شکل ابرخازن، از همین نوع مخلوط بتون میتوان بعنوان یک سیستم گرمایشی استفاده کرد. این کار به سادگی و با اعمال الکتریسیته به بتن حاوی کربن صورت می گیرد.

اولم خاطرنشان کرد که این ایده را راهی جدید برای نگاه کردن به آینده بتن بعنوان بخشی از فرآیند انتقال انرژی می داند.

این پژوهش، در مجله «PNAS» به چاپ رسید.