Superkondensatory z elektrodami wykonanymi z nanocząsteczek węglowych na bazie konopi przewyższają wydajnością te standardowe! Czy konopie staną się przyszłością przemysłu magazynowania energii elektrycznej?

Problematyczne źródła energii

Energia jest ludzkości niezbędna. Tradycyjne źródła energii – ropa naftowa, węgiel, gaz ziemny, uran – nazywane są nieodnawialnymi, bo ich zasoby odtwarzają się bardzo powoli bądź wcale. Można je stosunkowo łatwo magazynować i transportować, dlatego używamy ich od bardzo dawna. Wielu naukowców uważa jednak, że w niedalekiej przyszłości paliwa kopalne zostaną, a wręcz będą musiały być, zastąpione bardziej przyjazną dla środowiska alternatywą. Jedną z nich jest bioetanol, który z powodzeniem można produkować z biomasy konopnej [LINK]. Kolejną alternatywą jest energia elektryczna, która również wydaje się być nam obecnie niezbędna. Od lat różne państwa inwestują w odnawialne źródła energii (w skrócie OZE):

  • wiatr,
  • geotermia,
  • promieniowanie słoneczne,
  • opady,
  • pływy i fale morskie.

Organizacje międzynarodowe, państwowe i pozarządowe coraz częściej nawołują do ich stosowania. Niestety, w przypadku OZE mamy do czynienia z szeregiem problemów technicznych, jak nieekologiczne metody produkcji urządzeń, np. paneli fotowoltaicznych. Jeszcze większym wyzwaniem przyszłości jest magazynowanie energii elektrycznej. Czy konopie rozwiążą ten problem?

Baterie

Najbardziej popularną formą magazynowania energii jest obecnie ogniwo galwaniczne. To układ złożony z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie, a źródłem różnicy ich potencjałów są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodami a elektrolitem. Dostępne są zarówno pojedyncze ogniwa, jak i baterie ogniw – potocznie wszystkie one określane są jako „baterie”. Ze względu na rodzaj ogniwa wyróżnia się:

  • baterie cynkowo-węglowe,
  • baterie alkaliczne,
  • baterie typu Oxyride,
  • baterie litowe Li-FeS2.

Szczególnym rodzajem ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane, jest akumulator elektryczny. Akumulatory są stosowane wszędzie: w telefonach, laptopach, samochodach… Wszystkie baterie bazują jednak na elektrolitach, które dość szybko się zużywają, dlatego trzeba je wymieniać. Ponadto pełne naładowanie baterii zajmuje bardzo dużo czasu. 

Superkondensatory

Bateria służy do przechowywania energii skumulowanej w postaci chemicznej. Kondensator (dwa przewodniki rozdzielone dielektrykiem) natomiast gromadzi ładunki elektryczne bezpośrednio na swoich okładzinach. Superkondensator to rodzaj kondensatora o specyficznej konstrukcji, który wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną.

Zalety superkondensatorów

  • Bardzo duża szybkość ładowania/rozładowania (w porównaniu do baterii)
  • Niewielka degradacja właściwości przy wielokrotnym rozładowaniu i ładowaniu
  • Duża sprawność
  • Niewielka toksyczność użytych materiałów
  • Szeroki zakres temperatury pracy
  • Niski koszt na jednostkę pojemności
  • Niskie koszty eksploatacyjne

Wady superkondensatorów

  • Ilość zgromadzonej energii jest o wiele niższa niż dla źródeł chemicznych
  • Zmienna wartość napięcia na zaciskach
  • Małe dopuszczalne napięcie pracy
  • Szybsze samorozładowanie (w porównaniu do baterii)

Zastosowanie superkondensatorów

Superkondensatory są coraz częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii w celu krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej m.in. w prototypach samochodów hybrydowych, pojazdów elektrycznych lub do wspomagania zasilania robotów. Rozwijane są także prace badawcze nad ich zastosowaniem do magazynowania elektrycznej energii odnawialnej. Stosowane są również jako źródła zasilania ciągłego w urządzeniach o niewielkiej mocy i odgrywają ważną rolę w tzw. UPS-ach, czyli systemach zasilania gwarantowanego. Najważniejsze zastosowanie znajdują w transporcie w procesie hamowania rekuperacyjnego – odbierają do przechowania energię pozyskaną podczas hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i redukuje zanieczyszczanie powietrza.

Konopie zamiast grafenu

Grafen uważany jest za jeden z najlepszych materiałów dla elektrod superkondensatorów. Jego produkcja jest jednak bardzo droga. Szukając tańszego rozwiązania, amerykańscy naukowcy pod kierownictwem profesora inżynierii chemicznej i materiałowej Davida Mitlina, opracowali proces przekształcania odpadów konopi włóknistych w unikalny, podobny do grafenu nanomateriał. Co więcej, może być produkowany za mniej niż 500$ za tonę (produkcja grama grafenu kosztuje nawet 2000$!).

„Kluczem do osiągnięcia wysokiej mocy w porowatych elektrodach jest zwiększenie szybkości transportu jonów. Nanomateriały na bazie grafenu i ich hybrydy pojawiły się jako nowa klasa obiecujących kandydatów na elektrody o wysokiej szybkości – ich produkcja jest jednak zbyt droga w porównaniu z węglem aktywnym pochodzącym z pirolizy odpadów rolniczych lub z koksowania”, mówi Mitlin.

Biomasa zawierająca głównie celulozę i ligninę jest szeroko wykorzystywana jako surowiec do produkcji węgla aktywnego. Mitlin postanowił przetestować niezwykłą komórkową strukturę włókna konopnego. Odpady włókna konopnego były podgrzewane pod ciśnieniem w temperaturze 180°C przez 24 godziny. Powstały w ten sposób zwęglony materiał został poddany obróbce wodorotlenkiem potasu, a następnie podgrzany do temperatury 800°C, co doprowadziło do powstania unikalnej struktury nanocząsteczkowej. Badania tego materiału wykazały, że rozładowuje on 49 kW mocy na kg materiału – prawie trzykrotnie więcej niż standardowe, komercyjne elektrody.

Obiecujące wyniki

Dzięki złożonej, wielowarstwowej strukturze włókna konopnego, ten wysokowydajny materiał powstał w wyniku prostej hydrotermicznej karbonizacji połączonej z aktywacją. Okazało się, że ma o wiele większe możliwości magazynowania elektrochemicznego niż nowoczesne elektrody grafenowe. Uzyskany w ten sposób materiał ma też zasadniczo inne właściwości w porównaniu z konwencjonalnym węglem aktywnym pochodzącym z biomasy, takie jak rozkład wielkości porów i przewodnictwo elektryczne.

„Byliśmy zachwyceni tym, jak dobrze ten materiał sprawdził się w roli elektrod superkondensatorów. Ta nowatorska metoda syntezy stanowi ogromny potencjał dla łatwej, przemysłowej produkcji wysokowydajnych węgli do różnych zastosowań, takich jak magazynowanie energii, urządzenia przenośne, bezprzerwowe źródła zasilania, sprzęt medyczny, wyrównywanie poziomu obciążenia oraz hybrydowe pojazdy elektryczne”, mówi Mitlin.

Źródło: asme.org

Comments

  1. po co nadmiernie komplikować to co może być do bólu proste i jest, już teraz.
    Konopie to drewno, drewno które rośnie o wiele szybciej niż „standardowy” las.
    Nic po za brakiem woli politycznej i chęci ze strony „kasty panów” (m. in. z cyrku na ul. Wiejskiej), nie stoi na przeszkodzie aby konopiami palić w elektrowniach/elektrociepłowniach na biomasę, w których już dziś spala się np. zrębki drewna.
    Obsianie obecnych nieużytków rolnych dałoby nam ogromny zasób odnawialnego paliwa i dało porządnego kopa do rozwoju lokalnej gospodarki oraz stanowiłoby kolejny krok do rozwoju energetyki rozproszonej.

Pozostaw odpowiedź darios Anuluj pisanie odpowiedzi

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

3 + 1 =