Aus den einfachen Komponenten Zement, Wasser und Ruß haben US-Wissenschaftler einen Stromspeicher entwickelt. In das Fundament eines Hauses eingelassen, könnten 45 Kubikmeter des Materials rund zehn Kilowattstunden speichern, was etwa dem durchschnittlichen Tagesverbrauch eines Haushalts in den USA entspricht.
Auch den Einbau in Straßen, der das Laden von Elektrofahrzeugen während des Fahrens ermöglichen würde, kann sich die Gruppe um Franz-Josef Ulm und Admir Masic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge vorstellen.
„Der erfolgreiche, groß angelegte Übergang von einer auf fossilen Brennstoffen basierenden Wirtschaft zu einer auf erneuerbaren Energien basierenden Wirtschaft hängt von der weitverbreiteten Verfügbarkeit von Energiespeicherlösungen ab“, schreiben die Forscher in den „Proceedings“ der US-nationalen Akademie der Wissenschaften („PNAS“). Denn Solar- oder Windstrom wird oft zu anderen Zeiten erzeugt als er verbraucht wird – deshalb muss er zwischengespeichert werden.
Allerdings sind aktuelle Batterien auf knappe Bestandteile wie etwa Lithium angewiesen. Um elektrischen Strom in größerem Umfang zu speichern, müssten gut verfügbare Materialien für Energiespeicher verwendet werden, betonen die Wissenschaftler.
Die Speicherung elektrischer Energie in Beton wird seit einigen Jahren erforscht. Ulm, Masic und Kollegen fanden nun einen Weg, aus Zement, Wasser und Ruß recht einfach einen Superkondensator herzustellen. Grundsätzlich sind in einem Kondensator zwei stromleitende Elektroden durch ein nicht leitendes Material getrennt.
Im geladenen Zustand ziehen sich die negativen Ladungsträger in der einen Elektrode und die positiven Ladungsträger in der anderen Elektrode an, sie können wegen des Nichtleiters aber nicht zusammenkommen. Dieser Aufbau ermöglicht eine sehr lange Speicherung elektrischer Energie.
„Von LED bis hin zur Stromversorgung eines Hauses“
Die Forscher stellten zunächst eine Mischung aus Portlandzement und Ruß her, wobei der Ruß sehr porös war und Strukturen im Bereich von Nanometern (Millionstel Millimetern) aufwies. Mit viel Wasser angerührt, entstand ein ebenfalls poröses Material, in dem sich der wasserabweisende Ruß selbstständig in leitfähigen Nanometerdrähten anordnet. Die Hohlräume des porösen Materials wurden mit einem Elektrolyten mit Kaliumchlorid gesättigt, der Ladungsträger zur Verfügung stellt. Die große Oberfläche des porösen Rußes führt zu einer hohen Speicherkapazität.
Mikroskop-Aufnahme: Die Oberflächenstruktur des Verbundmaterials aus Zement und Kohlenstofffasern
Quelle: PNAS
Die Forscher betonen, dass die Superkondensatoren aus dem neuen Material in verschiedenen Größenordnungen gebaut werden können. „Man kann von ein-Millimeter-dicken Elektroden auf ein-Meter-dicke Elektroden umsteigen und auf diese Weise die Energiespeicherkapazität skalieren, von der Beleuchtung einer LED für ein paar Sekunden bis hin zur Stromversorgung eines ganzen Hauses“, wird Ulm in einer Mitteilung des MIT zitiert.
Stromspeicher und Heizsystem zugleich
Die Wissenschaftler stellten fest, dass sich die Kapazität des Energiespeichers steigern lässt, wenn man eine geringere Festigkeit in Kauf nimmt. Das Material ist dann jedoch nicht für Fundamente oder Straßen geeignet.
Neben der Fähigkeit zum Speichern von Strom könne dieselbe Art von Betonmischung auch als Heizsystem verwendet werden. Dazu müsse man Strom an den kohlenstoffhaltigen Beton anlegen, erklären die Forscher. „Es ist also wirklich ein multifunktionales Material“, sagt Ulm.
Ein Nebeneffekt sei, dass die neuen Superkondensatoren den großen ökologischen Fußabdruck der Zementherstellung teilweise ausgleichen könnten, schreiben die Studienautoren. Die Zementproduktion ist derzeit verantwortlich für etwa acht Prozent des weltweiten Ausstoßes des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂).
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