Superkondensator: Werden Fundamente, Straßen und Wände zu Stromspeichern?

Eine der größten Herausforderungen auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft ist nach wie vor die Speicherung von Energie aus Sonne und Wind. Laut einer Studie des MIT könnten Ruß und Zement die Grundlage für ein revolutionäres und kostengünstiges Energiespeichersystem bilden. Mit Hilfe von Gebäudefundamenten oder Straßen könnte so die schwankende erneuerbare Energieversorgung stabilisiert werden. Das klingt auf jeden Fall sehr spannend.

Ruß und Zement als Superkondensator

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des MIT haben eine interessante Entdeckung gemacht: Aus Ruß, Zement und Wasser lässt sich ein Superkondensator herstellen, der als Alternative zu herkömmlichen Batterien elektrische Energie speichern kann. Das Forschungsteam, das hinter dieser Innovation steht, sieht darin großes Potenzial.

Der Superkondensator könnte beispielsweise nahtlos in das Betonfundament eines Gebäudes integriert werden. Dort könnte er die Energie eines ganzen Tages speichern, ohne die Baukosten wesentlich zu erhöhen oder die strukturelle Integrität des Fundaments zu beeinträchtigen. Eine weitere spannende Vision der Forscher ist eine Betonstraße, die Elektrofahrzeuge während der Fahrt kabellos aufladen könnte.

Die MIT-Professoren Franz-Josef Ulm, Admir Masic und Yang-Shao Horn sowie vier weitere Forscher des MIT und des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering beschreiben die einfache, aber innovative Technologie in einem Artikel, der in der Fachzeitschrift PNAS erschienen ist.

So funktioniert ein Kondensator

Kondensatoren sind im Grunde einfache Bauteile, die aus zwei elektrisch leitenden Platten bestehen, die durch eine Membran voneinander getrennt sind und in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Wird an den Kondensator eine Spannung angelegt, so sammeln sich positiv geladene Ionen an der negativ geladenen Platte, während die positiv geladene Platte negativ geladene Ionen anzieht.

Dank der Membran, die den Durchgang der Ionen verhindert, entsteht zwischen den Platten ein elektrisches Feld, das den Kondensator auflädt. Diese Platten können die Ladung über einen längeren Zeitraum speichern und bei Bedarf schnell wieder abgeben. Superkondensatoren sind spezielle Kondensatoren, die eine besonders hohe Ladungsmenge speichern können.

So wird aus der Zement-Ruß-Mischung ein Superkondensator

Die Speicherkapazität eines Kondensators wird maßgeblich von der Gesamtoberfläche seiner leitenden Platten bestimmt. Um dies zu erreichen, haben die Forschenden hochleitfähigen Russ mit Zementpulver und Wasser kombiniert. Beim Aushärten reagiert das Wasser mit dem Zement und bildet ein verzweigtes Netzwerk von Öffnungen. Der Kohlenstoff füllt diese Öffnungen aus und bildet im festen Zement drahtähnliche Strukturen.

Diese Strukturen ähneln einem fraktalen Muster, bei dem größere Verzweigungen in kleinere übergehen, was zu einer riesigen Oberfläche auf relativ kleinem Raum führt. Das Material wird dann in einen gewöhnlichen Elektrolyten wie Kaliumchlorid getaucht, der die geladenen Teilchen liefert, die sich an die Kohlenstoffstrukturen anlagern. Zwei solche Elektroden, die durch einen dünnen Abstand oder eine Isolierschicht getrennt sind, ergeben nach Angaben der Forschenden einen leistungsfähigen Superkondensator.

Ein „faszinierendes Material“

Die beiden Platten eines Kondensators funktionieren ähnlich wie die Pole einer wiederaufladbaren Batterie. Wenn sie an eine Energiequelle angeschlossen sind, speichern sie Energie wie eine Batterie. Wird der Kondensator an einen Verbraucher angeschlossen, gibt er die gespeicherte elektrische Energie wieder ab.

„Das Material ist faszinierend“, sagt Prof. Admir Masic, „denn es handelt sich um das meistverwendete von Menschenhand geschaffene Material der Welt, Zement, der mit Ruß kombiniert wird, einem bekannten historischen Material – die Schriftrollen vom Toten Meer wurden damit geschrieben. Man hat diese mindestens zwei Jahrtausende alten Materialien, die, wenn man sie auf eine bestimmte Art und Weise kombiniert, ein leitfähiges Nanokomposit ergeben, und dann wird es erst richtig interessant.“

Während die Mischung aushärtet, ergänzt Masic: „Das Wasser wird systematisch durch Hydratationsreaktionen des Zements verbraucht, und diese Hydratation wirkt sich grundlegend auf die Nanopartikel aus Kohlenstoff aus, weil sie hydrophob (wasserabweisend) sind.“ Während sich die Mischung entwickelt, „baut sich der Ruß selbst zu einem zusammenhängenden leitenden Draht auf“, sagt er.  Und: Das Verfahren lässt sich leicht reproduzieren, da die verwendeten Materialien kostengünstig und weltweit verfügbar sind. Laut Masic sind nur drei Volumenprozent Kohlenstoff in der Mischung erforderlich, um ein durchgehendes Kohlenstoffnetzwerk zu erzeugen.

Superkondensatoren können Übergang zu erneuerbaren Energien unterstützen

Superkondensatoren aus diesem Material könnten einen wichtigen Beitrag zur weltweiten Umstellung auf erneuerbare Energien leisten, so der deutsche Mitautor der Studie, Prof. Franz-Josef Ulm. Die wichtigsten emissionsfreien Energiequellen wie Wind-, Sonnen- und Gezeitenkraft liefern ihre Leistung oft zu unterschiedlichen Zeiten, die nicht immer mit den Verbrauchsspitzen synchronisiert sind.

Effiziente Energiespeicherung ist daher von entscheidender Bedeutung. „Es besteht ein dringender Bedarf an leistungsfähigen Energiespeichern“, betont Ulm. Heutige Batterietechnologien sind oft teuer und basieren auf begrenzten Ressourcen wie Lithium. Kostengünstigere Alternativen sind daher gefragt. „Unsere Technologie bietet hier großes Potenzial, denn Zement ist weit verbreitet und leicht zugänglich“, so Ulm.

Wie viel Energie lässt sich in dem Werkstoff speichern?

Das Forscherteam hat ermittelt, dass ein mit Ruß angereicherter Betonblock mit einem Volumen von 45 Kubikmetern – vergleichbar mit einem Würfel von etwa 3,5 Metern Kantenlänge – rund 10 Kilowattstunden Energie speichern könnte. Das entspricht dem durchschnittlichen Tagesverbrauch eines Haushalts.

Ein Haus, dessen Fundament aus diesem Spezialbeton besteht, könnte die täglich von Solarzellen oder Windturbinen erzeugte Energie speichern und bei Bedarf nutzen. Ein weiterer Vorteil: Superkondensatoren lassen sich deutlich schneller laden und entladen als herkömmliche Batterien.

Generell gilt: Je mehr Kohlenstoff im Beton enthalten ist, desto mehr Energie lässt sich speichern. Allerdings verliert der Werkstoff mit zunehmendem Rußanteil an Festigkeit – weshalb die Forschenden einen Kompromiss finden mussten, um die Tragfähigkeit der Gebäude nicht zu gefährden. Für Anwendungen wie ein Fundament oder Strukturelemente des Sockels einer Windkraftanlage liegt der „Sweet Spot“ bei etwa 10 Prozent Ruß in der Mischung, so die Forscher.

Auch drahtloses Laden von Elektrofahrzeugen möglich

Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet für Superkondensatoren aus Carbonbeton könnte der Straßenbau sein. Man stelle sich Betonstraßen vor, die Energie speichern, die von Sonnenkollektoren am Straßenrand erzeugt wird. Diese Energie könnte dann, ähnlich wie bei drahtlos aufladbaren Smartphones, an Elektrofahrzeuge übertragen werden, die die Straße nutzen. In Ländern wie Deutschland und den Niederlanden wird bereits an ähnlichen Systemen gearbeitet.

Das ist aber noch Zukunftsmusik. Ein erstes Einsatzgebiet für die Technologie sehen die Forschenden zunächst in isoliert stehenden Häusern, Gebäuden oder Unterkünften fernab des Stromnetzes, die mit Solarzellen, die an den Zement-Superkondensatoren angebracht sind, betrieben werden könnten.

Laut Ulm ist das System sehr gut skalierbar, da die Energiespeicherkapazität eine direkte Funktion des Volumens der Elektroden ist: „Man kann von Elektroden mit einer Dicke von einem Millimeter zu Elektroden mit einer Dicke von einem Meter übergehen und so die Energiespeicherkapazität von der Beleuchtung einer LED für ein paar Sekunden bis zur Stromversorgung eines ganzen Hauses skalieren“

Multifunktionales und anpassbares Material

Das System kann je nach den gewünschten Eigenschaften an spezifische Anwendungen angepasst werden. Für eine Straße, auf der Fahrzeuge aufgeladen werden, wären hohe Lade- und Entladegeschwindigkeiten erforderlich. Für die Energieversorgung eines Hauses hingegen könnte ein Material mit einer langsameren Ladegeschwindigkeit ausreichen, da man den „ganzen Tag Zeit zum Aufladen hat“, erklärt Ulm.

Ulm betont auch die Vielseitigkeit des Materials: Es ist wirklich multifunktional. Neben der Speicherung von Energie als Superkondensator kann dieselbe Betonmischung auch als Heizsystem dienen, indem einfach Strom durch den kohlenstoffreichen Beton geleitet wird.

Noch wurde das neue Material erst in kleinem Maßstab getestet. Nachdem sie das Prinzip anhand einer 1-Volt-Batterie bewiesen haben, möchten die Forschenden nun eine Reihe größerer Versionen bauen. Zunächst in der Größe eine typischen 12-Volt-Batterie, dann eine 45-Kubikmeter-Version, um zu zeigen, dass ein ganzer Haushalt auf diese Weise mit Strom versorgt werden kann.