دستیابی به انرژی حرارتی و الکتریکی از ذخیره انرژی سیمان

ایسنا: اصفهان بر اساس یافته‌های پژوهشگران، از ذخیره انرژی سیمان می‌توان برای ذخیره انرژی حرارتی و الکتریکی بهره برد. پژوهشگران معتقدند که کشف ویژگی‌ها و پتانسیل‌های موجود در سیمان از طریق علم و مهندسی مواد ممکن است در آینده نوآوری‌های کلیدی را در حوزه برق و انرژی‌های تجدیدپذیر به همراه داشته باشد.​

سیمان، به عنوان پرمصرف ترین مصالح ساختمانی در جهان محسوب می‌شود که ممکن است به زودی ذخیره انرژی آن مورد استفاده قرار گیرد. به تازگی تحقیقات نشان داده‌ است که پتانسیل موجود در سیمان را می‌توان در زمینه باتری‌های حرارتی جامد و ابرخازن‌ها (در صورت ترکیب با کربن) به کار برد.

بلوک‌های سیمانی به عنوان باتری‌های حرارتی

بر اساس مقاله‌ای که به تازگی در مجله علوم کامپوزیت ( Composites Science) منتشر شده است، دانشمندان روشی را برای تولید بلوک‌های سیمانی ابداع کرده‌اند که این بلوک‌ها به طور موثر می‌توانند به عنوان باتری حرارتی عمل کنند. تکنیک مورد استفاده به این صورت است که بلوک‌های سیمانی با توانایی جذب برق تجدیدپذیر و سپس تخلیه آن در زمان تقاضا به عنوان منبع گرمای قابل استفاده به کار می‌روند.

بلوک‌های ذخیره‌سازی انرژی تولید شده، حاوی مواد تغییر فاز دهنده هستند که با داشتن این ویژگی می‌توانند الکتریسیته را در زمانی که فراوان‌ترین و ارزان‌ترین الکتریسیته از شبکه یا منابع تجدیدپذیر موجود است، جذب کنند. سپس بلوک‌های شارژ شده می‌توانند به عنوان باتری‌های حرارتی جامد عمل کنند و انرژی ذخیره شده خود را به عنوان گرما در صورت نیاز برای سیستم‌های گرمایش آب و فضا آزاد کنند.

در آزمایش‌های اولیه، این تیم به چگالی انرژی قابل مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی در بلوک‌های مبتنی بر ذخیره‌سازی انرژی سیمانی دست یافتند. این انرژی ذخیره شده با اضافه شدن آب به صورت گرمای ملایم، ساطع می‌شود. در واقع،   بلوک‌ها می‌توانند ذخیره انرژی طولانی مدت را در چرخه‌های روزانه یا تمام فصول ارائه دهند.

همچنین، پژوهشگران با استفاده از مواد زائدی مانند خاکستر پلاستیکی در طول تولید، به هزینه کمتری نسبت به بلوک‌های بتنی یا باتری‌های معمولی دست یافتند.

سازندگان معتقدند که ذخیره‌سازی انرژی سیمان در باتری‌های حرارتی این قابلیت را دارد که ذخیره انرژی تجدیدپذیر را برای ساختمان‌ها فراهم کند و در عین حال، موجب کاهش تقاضا در زمان پیک شبکه شود. علاوه بر این، بلوک‌های سیمانی می‌توانند جایگزینی برای استخراج فلزاتی مانند لیتیوم، کبالت و نیکل که استخراج آنها محدود و مخرب است، باشند.

این رویکرد جدید یکی از خواص مفید موجود سیمان، یعنی جرم حرارتی بالای آن را به سمت ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر به جای سوخت‌های فسیلی که به طور سنتی برای گرما در کوره‌های سیمان استفاده می‌شود، هدایت می‌کند. این ابداع نشان می‌دهد که از طریق نوآوری مواد، سیمان می‌تواند به انتقال انرژی پایدار کمک کند.

کامپوزیت‌های سیمان-کربن رسانا

علاوه بر این، محققان دانشگاه MIT پتانسیل ذخیره انرژی سیمان را به یک ابرخازن بسیار کارآمد تبدیل کرده‌اند. در این روش، افزودنی‌های مبتنی بر کربن را به سیمان اضافه می‌کنند تا کامپوزیت‌های مشتق شده از سیمان با خواص رسانایی افزایش یافته ایجاد شود.

تیم MIT دریافته است که ماده به دست آمده از طریق مخلوط کردن سیمان با افزودنی‌های کربن سیاه ارزان قیمت، ویژگی‌های ابرخازن مانندی پیدا می‌کند. این تیم بیان می‌کند که یک بلوک سیمانی با اندازه حدود ۴۵ متر مکعب می‌تواند به طور بالقوه تا ۱۰ کیلووات ساعت انرژی ذخیره کند که این میزان برابر با میانگین مصرف روزانه یک خانه است.

محققان با بیان اینکه این شیوه هنوز جنبه آزمایشی دارد، می‌گویند: این کامپوزیت‌های ذخیره‌سازی انرژی سیمانی با کربن می‌توانند ذخیره انرژی یکپارچه را در سازه‌های بتنی فعال کنند. دیوارها، فونداسیون‌ها یا جاده‌ها با چنین مخلوط‌های سیمانی می‌توانند انرژی خورشیدی، باد یا انرژی هدر رفته در محل را برای استفاده بعدی جذب کنند.

کربن ظرفیت ذخیره بار را فراهم می‌کند، در حالی که سیمان در همه جا امکان تولید ارزان را فراهم می‌کند زیرا این کامپوزیت ها به مواد کمیابی مانند لیتیوم یا کبالت متکی نیستند و در ترکیب آن‌ها مزایای منحصر به فردی به عنوان راه حل‌های ذخیره انرژی پایدار ارائه می‌شود.

این دو تکنیک که به تازگی کشف شده‌اند نشان می‌دهند که یکی از فراوان‌ترین مصالح ساختمانی سیاره زمین، یعنی سیمان می‌تواند به طور بالقوه ذخیره انرژی در مقیاس گسترده‌ای را فراهم کند.

این دو ابداع ظرفیت نهفته سیمان را برای ذخیره انرژی از طریق فرآیندهای تولید جدید و مواد کامپوزیتی به نمایش می‌گذارد. با پیشرفت‌های بیشتر، باتری‌ها و ابرخازن‌های مبتنی بر ذخیره‌سازی انرژی سیمان ممکن است ابزارهای جدیدی را برای یکپارچه‌سازی بیشتر انرژی‌های تجدیدپذیر در زیرساخت‌ها ارائه دهند.  

و به طور کلی حضور جهانی کنونی ساخت و ساز بتن به این معنی است که ذخیره انرژی مشتق شده از سیمان پس از تکمیل شدن به سرعت قابل استفاده خواهد بود. کشف ویژگی‌های نهفته در سیمان از طریق علم و مهندسی مواد ممکن است در آینده نوآوری‌های کلیدی را برای پشتیبانی از شبکه‌ها در حوزه برق و انرژی‌های تجدیدپذیر به همراه داشته باشد.