Beton dat niet alleen een gebouw overeind houdt, maar tegelijkertijd elektriciteit opslaat? Onderzoekers van het Harbin Institute of Technology in China hebben een 3D-printbare supercondensator op cementbasis ontwikkeld die beide functies combineert. Daarmee komt een gebouw dat zelf als energieopslag fungeert opnieuw een stap dichterbij.
Zonnepanelen en windturbines kunnen gebouwen steeds meer lokaal van duurzame energie voorzien. De opslag ervan blijft echter een knelpunt. Normaal zijn daarvoor afzonderlijke accu’s nodig, die ruimte innemen, relatief duur zijn en na verloop van tijd degraderen.
De Chinese onderzoekers pakken dat anders aan: waarom zou de constructie van een gebouw zelf niet een deel van de energie kunnen opslaan? Hun bevindingen werden gepubliceerd in ACS Nano.
Cement wordt supercondensator
Het team mengde cement met onder meer koolstofnanobuisjes en carbon black tot een elektrisch geleidende pasta die met een 3D-printer kan worden verwerkt.
Daarmee printten de onderzoekers twee elektroden in een in elkaar grijpend patroon. Die geometrie is cruciaal. Ionen hoeven daardoor niet door een dikke laag materiaal te bewegen, maar kunnen een veel kortere route tussen naast elkaar gelegen elektroden volgen. Tegelijk ontstaat een groter contactoppervlak.
Tijdens het uitharden van het cement vormen zich bovendien microscopische, met water gevulde poriën. Daarlangs kunnen geladen ionen zich verplaatsen. Het resultaat is feitelijk een supercondensator die onderdeel wordt van het beton zelf.
Sterk genoeg om daadwerkelijke mee te bouwen
Energie opslaan is weinig waard wanneer het materiaal daardoor zijn belangrijkste functie verliest: belasting dragen.
Daar scoort het prototype opvallend goed. Het materiaal weerstond een drukbelasting van 23 MPa. Tegelijk bereikte de supercondensator een energiedichtheid van 22,52 μWh/cm² en een vermogensdichtheid van 0,49 mW/cm² bij een werkspanning van 1 volt. Als demonstratie schakelden de onderzoekers drie geprinte exemplaren aan elkaar, waarmee ze een reeks leds konden laten branden.
Dat betekent nog niet dat een betonnen vloer binnenkort een elektrische auto kan opladen. Wel zijn toepassingen met een beperkt maar continu vermogen voorstelbaar, bijvoorbeeld noodverlichting, draadloze sensoren en systemen die scheuren, trillingen of andere veranderingen in een gebouw bewaken.
Gebouwen als gigantische energiebuffers
Het interessante zit uiteindelijk vooral in schaal. Een afzonderlijk stukje energiebeton slaat relatief weinig stroom op. Een gebouw bevat daarentegen honderden of duizenden tonnen beton. Als vloeren, wanden en funderingen gedeeltelijk als opslagmedium kunnen functioneren, ontstaat een compleet andere manier om naar energieopslag te kijken.
Maar zover zijn we nog niet, want er zijn nog flinke obstakels. Bij -18 °C daalde de elektrische prestatie sterk doordat ionentransport in de waterhoudende poriën wordt afgeremd. Ook levensduur, kosten, aansluiting en productie op bouwschaal moeten nog worden bewezen.
Toch is de achterliggende gedachte krachtig. Bouwmaterialen hoeven in de toekomst niet uitsluitend passief te zijn. Ze kunnen tegelijkertijd constructie, energieopslag en sensortechnologie verzorgen. Daarmee zou het gebouw zelf onderdeel kunnen worden van het elektriciteitsnet.
