Energiespeicher: MIT entwickelt Superkondensator aus Zement, Wasser und Ruß
Forscher des MIT haben einen Superkondensator als Energiespeicher entwickelt, der sich aus Zement, Wasser und Industrieruß zusammensetzt.
Das Bild zeigt eine Aufnahme des Basismaterials für den Superkondensator.
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Superkondensator auf Basis von Zement, Wasser und Industrieruß entwickelt, der Energie speichern kann. Der Superkondensator kann zum Bau von energiespeichernden Häuserfundamenten, Straßen mit drahtloser Ladefunktion und Fundamenten von Windturbinen sowie erneuerbare Energiesysteme genutzt werden, versprechen die Forscher.
Etwa 45 m³ der Materialkombination verfügen über genügend Kapazität, um etwa 10 kWh Energie zu speichern, heißt es in der Studie "Carbon–cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution", die in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht ist. Diese Menge reiche aus, um einen durchschnittlichen Haushalt etwa einen Tag lang mit Energie zu versorgen. Ein solcher Energiespeicher hätte etwa die Größe eines Blockes mit 3,5 m Seitenlänge. Er könnte die Energie aus erneuerbaren Energien speichern und das Haus autark versorgen. Darüber hinaus sei der Block beliebig skalierbar, sodass der Energiespeicher an den Bedarf vorab angepasst werden kann.
"Wir haben es hier mit dem meistverwendeten, von Menschen hergestellten Material der Welt zu tun, nämlich Zement, der mit Ruß kombiniert wird, einem bekannten historischen Material – die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben", sagt Admir Masic, Associate Professor für Bau- und Umwelttechnik am MIT. Richtig miteinander kombiniert ergeben sie ein leitfähiges Nanokomposit.
Superkondensator mit großer Oberfläche
Superkondensatoren funktionieren ähnlich wie Kondensatoren. Sie speichern elektrische Energie in elektrischen Feldern, die zwischen zwei leitenden Platten auftreten, die von einem Elektrolyten umgeben und durch eine Membran getrennt sind. Die Kapazität eines Superkondensators wird weitgehend von der Oberfläche der Platten bestimmt. Die von ihnen geschaffene Materialkombination weise eine besonders hohe innere Oberfläche auf, erklärten die Wissenschaftler des MIT.
"Die Hydratationsreaktionen von Zement erzeugen in Zusammenhang mit Kohlenstoff ein fraktalartiges elektronenleitendes Kohlenstoffnetzwerk, das die tragende Matrix auf Zementbasis durchdringt", schreiben die Forschenden. Ein Block aus diesem Material ist quasi ein kohlenstoffreicher Zement, der mit hochleitenden Rußdrähten durchzogen ist, die ihm zusätzlich eine hohe Festigkeit verleihen. Sie vergrößern die Oberfläche stark und damit die Speicherkapazität des Kondensators.
Die Rußdrähte entstehen durch den Zusatz von Wasser und deren Aushärtung im Zement. Der Industrieruß sei stark hydrophob, wodurch er nicht fein verteilt wird. Er setzt sich dadurch selbst zu einem zusammenhängenden, leitfähigen Draht zusammen, sagten die Wissenschaftler weiter.
Dabei reiche ein Anteil von 3 Prozent des Rußes aus, damit aus Zement ein Superkondensator wird. Die Wissenschaftler des MIT fanden in ihrer Forschungsarbeit heraus, dass etwa 10 Prozent eine ideale Kombination aus Speicherkapazität und Festigkeit ergeben. Ein höherer Anteil könne zwar die Speicherkapazität erhöhen, mache das Material jedoch instabiler, sodass es nicht mehr etwa zum Bau eines Häuserfundaments taugen würde.
Das Material könnte auch dazu eingesetzt werden, Wärme zu erzeugen, schreiben die Forscher. Dazu wird einfach Strom auf das leitende Kohlenstoffnetzwerk im Zement übertragen.
Von der Testplattform zum großen Superkondensator
Die Arbeit des MIT steckt aber noch in den Kinderschuhen. Bisher existiert lediglich eine Testplattform, die 1 Volt liefern kann. Die Forscher beabsichtigen, die Größe des Energiespeichers schrittweise zu erhöhen. Das nächste Zwischenziel sei es, einen Superkondensator mit 12 Volt zu bauen. Das eigentliche Ziel sei aber ein 45 m³ großer Block, der ein Haus mit Strom versorgen kann. Den 12-Volt-Superkondensator beabsichtigen die Wissenschaftler innerhalb von sechs bis neun Monaten herzustellen.
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Die MIT-Forscher sagen, dass ein solcher Superkondensator am Ende leicht herzustellen sei. Das Material sei verfügbar, die Größe des Energiespeichers skalierbar. Die Entwicklung bis zum fertigen Produkt sei trotzdem nicht einfach, da sie das Fachwissen von Materialwissenschaftlern, Elektrotechnikern, Bauingenieuren und Architekten benötige. Bis ein solcher Prototyp für den Häuserbau fertig ist, könnten etwa 18 Monate vergehen.
Noch länger dauert es, die Technik in Autobahnen einzusetzen und Elektroautos drahtlos über energiespeichernde Fahrbahnen zu laden. Die Entwicklungszeit dafür belaufe sich auf etwa zwei bis drei Jahre, schätzen die Forscher. Die gleiche Zeit werde auch benötigt, wenn damit berührungslose Ladestationen für Elektroautos und energiespeichernde Fundamente für Windkraftanlagen erstellt werden sollen.
(olb)