Πηγή Εικόνας: απε - μπεΤο σκυρόδεμα είναι ίσως το πιο κοινό υλικό στο κόσμο των κατασκευών και, πλέον, είναι πολύ πιθανό – με κάποια προσαρμογή – να αποτελέσει και τον μεγαλύτερο «προμηθευτή» ενέργειας ενός σπιτιού.
Η υπόσχεση για περισσότερες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας συνδέεται με την παροχή αδιάκοπης καθαρής ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο, τον άνεμο και τη θάλασσα. Ωστόσο, ο ήλιος δεν είναι πάντα λαμπερός, ο άνεμος δεν πάντα δυνατός, και τα …σιγανά ποταμάκια, με όρους μεγαβάτ, είναι κάποιες φορές πολύ ήρεμα. Πρόκειται, ουσιαστικά, για πηγές ενέργειας που δεν εξασφαλίζουν τη συνεχόμενη παροχή, γεγονός που στον σύγχρονο κόσμο αποτελεί πρόβλημα.
Μία λύση είναι η αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ σε μπαταρίες. Όμως, οι μπαταρίες βασίζονται σε υλικά όπως το λίθιο, το οποίο δεν είναι άφθονο και πιθανότατα δεν φτάνει για να καλύψει τη μεγάλη ζήτηση που δημιουργούν οι στόχοι για μηδενικές εκπομπές άνθρακα σε συστήματα ενέργειας και μεταφορών. Σήμερα υπάρχουν 101 ορυχεία λιθίου στον κόσμο και οι οικονομικοί αναλυτές είναι απαισιόδοξοι σχετικά με την ικανότητα αυτών των ορυχείων να ικανοποιήσουν την αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση. Οι περιβαλλοντικοί αναλυτές σημειώνουν ότι η εξόρυξη λιθίου χρησιμοποιεί πολλή ενέργεια και νερό, γεγονός που εξαλείφει τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη μετάβαση σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως αναφέρει το BBC. Οι διαδικασίες που εμπλέκονται στην εξόρυξη λιθίου μπορεί επίσης μερικές φορές να οδηγήσουν σε διαρροές τοξικών χημικών ουσιών στα τοπικά αποθέματα νερού.
Παρά το γεγονός ότι έχουν ανακαλυφθεί κάποια νέα κοιτάσματα λιθίου, η πεπερασμένη παροχή αυτού του υλικού, η υπερβολική εξάρτηση από μόνο λίγα ορυχεία σε όλο τον κόσμο και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις του, έχουν οδηγήσει στην αναζήτηση εναλλακτικών υλικών για μπαταρίες.
Και σε αυτό το σημείο έρχεται μία ενδιαφέρουσα ανακάλυψη. Σε ένα εργαστήριο στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης, μια στοίβα γυαλισμένοι κύλινδροι βρίσκονται πάνω σε έναν πάγκο λουσμένοι με υγρό και τυλιγμένοι σε καλώδια. Για έναν απλό παρατηρητή, το θέαμα δεν σημαίνει και πολλά πράγματα. Όταν όμως ο καθηγητής Ντέμιαν Στεφάνιουκ συνδέει τα καλώδια με μία λάμπα LED και αυτή ανάβει, επικρατεί ενθουσιασμός. Και ο λόγος; Το αβλαβές, σκούρο κομμάτι σκυροδέματος που βρίσκεται στον πάγκο του εργαστηρίου, θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας.
Ο καθηγητής και οι συνάδελφοί του στο MIT έχουν βρει έναν τρόπο να δημιουργήσουν μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας γνωστή ως υπερπυκνωτή από τρία κοινά και φθηνά υλικά: το νερό, το τσιμέντο και μια ουσία που μοιάζει με αιθάλη.
Οι υπερπυκνωτές είναι εξαιρετικά αποδοτικοί στην αποθήκευση ενέργειας, αλλά διαφέρουν από τις μπαταρίες σε ορισμένα σημαντικά σημεία. Μπορούν να φορτιστούν πολύ πιο γρήγορα από μια μπαταρία ιόντων λιθίου και δεν εμφανίζουν τα ίδια επίπεδα υποβάθμισης στην απόδοση. Όμως, την ισχύ που αποθηκεύουν, την απελευθερώνουν γρήγορα, γεγονός που τους καθιστά λιγότερο χρήσιμους σε συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, laptop ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα όπου απαιτείται σταθερή παροχή ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Πάντως, σύμφωνα με τον Στέφανιουκ, οι υπερπυκνωτές άνθρακα-τσιμέντου θα μπορούσαν να συμβάλουν σημαντικά στις προσπάθειες για την απεξάρτηση από τον άνθρακα. «Αν μπορέσουμε να αυξήσουμε την κλίμακα, η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση ενός σημαντικού ζητήματος – της αποθήκευσης της ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές», υποστηρίζει.
Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του ερευνητές στο MIT και το Ινστιτούτο Wyss του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ οραματίζονται μία σειρά από εφαρμογές για τους υπερπυκνωτές τους. Μία εφαρμογή θα μπορούσε να είναι η δημιουργία δρόμων που αποθηκεύουν ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια την απελευθερώσουν για να επαναφορτίσουν ασύρματα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα καθώς οδηγούν. Η ταχεία απελευθέρωση ενέργειας από τον υπερπυκνωτή άνθρακα-τσιμέντου θα επέτρεπε στα οχήματα να λάβουν μια γρήγορη ώθηση στις μπαταρίες τους. Επίσης, θα χρησίμευε στα θεμέλια των σπιτιών –σε τοίχους ή κολώνες- που θα μπορούσαν όχι μόνο να στηρίζουν την κατασκευή αλλά και να αποθηκεύουν ενέργεια.
Για την ώρα, ο υπερπυκνωτής από τσιμέντο μπορεί να αποθηκεύσει μικρή ποσότητα ενέργειας, ικανή για να τροφοδοτήσει μία λάμπα των 10 watt για 30 ώρες. Η ισχύς «μπορεί να φαίνεται χαμηλή σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες, [αλλά] μια βάση με 30-40 κυβικά μέτρα σκυροδέματος θα μπορούσε να είναι επαρκής για να καλύψει τις καθημερινές ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας», λέει ο Στέφανιουκ. «Δεδομένης της ευρείας χρήσης του σκυροδέματος παγκοσμίως, αυτό το υλικό έχει τη δυνατότητα να είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικό και χρήσιμο στην αποθήκευση ενέργειας» προσθέτει.
Η ερευνητική ομάδα αναπτύσσει μεγαλύτερες εκδοχές του υπερπυκνωτή, μεταξύ των οποίων και μία μεγέθους 45 κυβικών μέτρων που θα μπορούσε να αποθηκεύσει ενέργεια περίπου 10kWh, όση χρειάζεται ένα σπίτι για μία ημέρα.
Ο υπερπυκνωτής λειτουργεί βασιζόμενος σε μία ασυνήθιστη ιδιότητα της αιθάλης που είναι εξαιρετικά αγώγιμη. Αυτό σημαίνει ότι όταν η αιθάλη συνδυάζεται με σκόνη τσιμέντου και νερό, δημιουργείται ένα είδος σκυροδέματος που είναι γεμάτο δίκτυα αγώγιμου υλικού, παίρνοντας μια μορφή που μοιάζει με μικροσκοπικές ρίζες οι οποίες διακλαδίζονται συνεχώς.
Οι πυκνωτές σχηματίζονται από δύο αγώγιμες πλάκες με μια μεμβράνη ανάμεσά τους. Και οι δύο πλάκες είναι κατασκευασμένες από τσιμέντο μαύρου άνθρακα, το οποίο ήταν εμποτισμένο με χλωριούχο κάλιο. Όταν πέρασε ηλεκτρικό ρεύμα στις εμποτισμένες πλάκες, οι θετικά φορτισμένες πλάκες συσσώρευσαν αρνητικά φορτισμένα ιόντα από το χλωριούχο κάλιο. Και επειδή η μεμβράνη εμπόδιζε την ανταλλαγή φορτισμένων ιόντων μεταξύ των πλακών, ο διαχωρισμός των φορτίων δημιούργησε ένα ηλεκτρικό πεδίο.
Καθώς οι υπερπυκνωτές μπορούν να συσσωρεύουν μεγάλες ποσότητες φορτίου πολύ γρήγορα, θα μπορούσε να καταστήσει τις συσκευές χρήσιμες για την αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια. Σύμφωνα με τον Στέφανιουκ, «ένα απλό παράδειγμα θα ήταν ένα σπίτι εκτός δικτύου που τροφοδοτείται από ηλιακούς συλλέκτες να χρησιμοποιεί απευθείας την ενέργεια κατά τη διάρκεια της ημέρας και την ενέργεια που αποθηκεύεται, για παράδειγμα στα θεμέλια του σπιτιού, κατά τη διάρκεια της νύχτας».
Και ενώ οι υπερπυκνωτές τσιμέντου-άνθρακα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη μείωση της εξάρτησης από το λίθιο, έχουν τις δικές τους περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η παραγωγή τσιμέντου ευθύνεται για το 5-8% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από ανθρώπινη δραστηριότητα παγκοσμίως και το ανθρακικό τσιμέντο που απαιτείται για τους υπερπυκνωτές θα πρέπει να είναι φρεσκοκατασκευασμένο αντί να τοποθετηθεί εκ των υστέρων σε υπάρχουσες κατασκευές.
Ωστόσο, φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη καινοτομία, λέει ο Μάικλ Σορτ, ο οποίος είναι επικεφαλής του Κέντρου Βιώσιμης Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Teesside στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η έρευνα «ανοίγει πολλές ενδιαφέρουσες πιθανές λεωφόρους γύρω από τη χρήση του ίδιου του δομημένου περιβάλλοντος ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας», λέει. «Καθώς τα υλικά είναι επίσης συνηθισμένα και η κατασκευή σχετικά απλή, αυτό δίνει μια μεγάλη ένδειξη ότι αυτή η προσέγγιση θα πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω και θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι ένα πολύ χρήσιμο κομμάτι της μετάβασης σε ένα καθαρότερο, πιο βιώσιμο μέλλον».
Το τσιμέντο είναι ένα προϊόν μη φιλικό προς το περιβάλλον, ωστόσο, όπως σημειώνει ο Σορτ, αυτό μπορεί να ξεπεραστεί καθώς οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο Teesside εργάζονται ήδη για τη δημιουργία τσιμέντου χαμηλών εκπομπών που παράγεται από τα υποπροϊόντα της χαλυβουργίας και της χημικής βιομηχανίας.
Έργα όπως το τσιμέντο χαμηλών εκπομπών και το σκυρόδεμα αποθήκευσης ενέργειας αυξάνουν την προοπτική ενός μέλλοντος όπου τα γραφεία, οι δρόμοι και τα σπίτια θα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε έναν κόσμο που τροφοδοτείται από καθαρή ενέργεια.
