Na laboratorijskoj klupi u Cambridgeu, u Massachusettsu, bio je položen uglančani blok crno obojenog, kablovima isprepletenog betona u tekućini. Na prvi pogled, beton nije imao nikakvu primjernu, ali kad je Damian Stefaniuk uključio prekidač, LED svjetla spojena na betonske blokove počela su svijetliti.

“Isprva nisam ni sam vjerovao”, rekao je Stefaniuk kad je objašnjavao kako su se LED svjetla uključila. “Pretpostavio sam da ih nisam isključio s vanjskog izvora električne energije, pa su počela svijetliti.”

“Bio je to prekrasan dan. Pozvali smo ostale studente i profesore da se i sami osvjedoče u to jer ni oni nisu isprva vjerovali da je to moguće.” Čemu toliko uzbuđenje? Pa, taj bezopasni, tamni komad betona mogao bi predstavljati budućnost skladištenja električne energije.

Obećanja o obnovljivim izvorima energije najčešće obuhvaćaju čistu energiju dobivenu iz Sunca, vjetra i mora, no Sunce ne sija uvijek na određenim područjima, kao što ni vjetar ne puše uvijek, odnosno more se ne giba. Ukratko, riječ je o sporadičnim izvorima energije što može biti problem u današnjem svijetu gladnom električne energije.

To znači da struju trebamo skladištiti u baterije koje ovise o materijalima poput litija kojega ima mnogo manje nego što će ga biti potrebno da ugljični otisak smanjimo na najmanju moguću mjeru. Naime, trenutačno je na Zemlji aktivan 101 rudnik litija i mala je vjerojatnost da mogu zadovoljiti sve veće potrebe.

Zidovi kuća kao baterije

Usto, rudarenje litija iziskuje mnogo energije i vode što dodano smanjuje prednosti prelaska na obnovljive izvore energije. Također, postupak ekstrahiranja litija nerijetko uključuje i ispuštanje toksičnih kemikalija u mjesna vodocrpilišta. Rješenje bi mogao biti Stefaniuk i njegov beton. Stefaniuk i suradnici na američkom MIT-u uspjeli su stvoriti uređaj za skladištenje energije naziva superkondenzator iz tri temeljna, jeftina materijala – vode, cementa i industrijske čađe popularno zvane carbon black.

Superkondenzatori su vrlo učinkoviti za skladištenje energije, ali se poprilično razlikuju od baterija. Naime, mnogo se brže pune od litij-ionskih baterija i radna svojstva im mnogo sporije opadaju. Isto tako, superkondenzatori mnogo brže otpuštaju uskladištenu energiju, pa ne bi bili dobri za pokretanje mobitela, prijenosnih računala ili električnih vozila koji zahtijevaju ravnomjernu opskrbu energijom kroz dulja razdoblja.

Stefaniuk smatra da bi ugljično-cementni superkondenzatori mogli iznimno pridonijeti dekarbonizaciji svjetskog gospodarstva te, riješi li se problem veličine, biti rješenje za pohranu obnovljive energije.

Jedna od primjena mogla bi biti gradnja cesta koje pohranjuju sunčevu energiju kojom bi se zatim bežično punili automobili koji njome prometuju. Brzo otpuštanje energije iz superkondenzatora bi omogućilo brzo punjenje baterija u električnim vozilima. Druga možebitna primjena jest uporaba betona za temelje kuće u koje bi se pohranjivala energija, odnosno, kako to navodi Stefaniuk “imali bi zidove ili temelje ili noseće zidove koji bi podržavali građevinu ali i skladištili energiju u sebi.”

No, tehnologija je još u povojima i trenutačno betonski superkondenzator može uskladištiti nešto manje od 300 vat-sati po prostornom metru što je dovoljno da 10-vatna LED žarulja svijetli 30 sati.

Stefaniuk: Ugljično-cementni superkondenzatori mogli bi iznimno pridonijeti dekarbonizaciji svjetskog gospodarstva.

Rasterećenje mreža

Superkondenzator radi zahvaljujući neobičnom svojstvu industrijske čađe, a to je visoka provodljivost, odnosno kad se carbon black pomiješa s cementom i vodom, nastaje beton isprepleten provodljivim materijalom koji nalikuje na razgranato, sićušno korijenje. Kondenzatori se izrađuju od dvije provodne ploče između koji je opna. Obje ploče su od carbon black cementa i prethodno su natopljene u elektrolitskoj soli, odnosno kalijevom kloridu.

Puštanjem struje kroz ploče natopljene u soli, pozitivno nabijene ploče privlače negativno nabijene ione iz kalijeva klorida. A kako opna sprječava izmjenu nabijenih iona između ploča, razdvajanje naboja stvara električno polje.

Usto, budući da superkondenzatori mogu vrlo brzo pohraniti veće količine naboja, bili bi vrlo korisni za skladištenje viška energije nastale sporadičnim obnovljivim izvorima poput vjetra i sunca čime bi se rasteretila elektroenergetska mreža kad nema vjetra, odnosno sunčeve svjetlosti. Međutim, superkondenzatori nisu savršeni jer prebrzo otpuštaju pohranjenu struju i nisu dobro rješenje za ravnomjernu proizvodnju energije potrebnu da se kuća opskrbljuje energijom kroz dan.

Usto, premda bi ugljično-cementni superkondenzatori mogli ublažiti našu ovisnost o litiju, treba istaknuti kako je proizvodnja cementa odgovorna za 5 – 8 posto emisija ugljičnog dioksida na svijetu, a ugljični cement potreban za izradu superkondenzatora mora biti svježe proizveden, odnosno postojeći cement se ne bi mogao naknadno oblagati njime. No, zasad se čini da je riječ o obećavajućoj inovaciji s mnogim potencijalnim primjenama, ali i sredstvu koje bi moglo značajno olakšati prijelaz na čišću, održiviju budućnost svijeta.