ذخیره انرژی در دیوار خانه! باتری سیمانی چگونه کار می‌کند؟

نوشته شده توسط: زینب صفایی
چهارشنبه ۱۸ تیر ۱۴۰۴
دسته بندی : زمین و ساختمان

مقدمه

آیا تا به حال تصور کرده‌اید خانه‌ای داشته باشید که خودش برق مورد نیازش را تولید کند؟ بر اساس گزارش Global Efficiency Intelligence، هر سال بیش از ۴ میلیارد تن سیمان در جهان تولید می‌شود. حال اگر همین بتن می‌توانست انرژی ذخیره کند، چه تغییری در دنیای ما رخ می‌داد؟

باتری سیمانی، این باتری ساخته شده از سیمان جزو تازه‌ترین نوآوری‌ها در حوزه‌ی ساخت‌وساز هستند که توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. در واقع این فناوری تلاش می‌کند مصالح ساختمانی، مثل بتن و سیمان، را به چیزی فراتر از یک سازه بی‌جان و موادی چندکاره تبدیل کند، مصالحی که نه ‌تنها سازه‌ها را شکل می‌دهند، بلکه توانایی ذخیره‌سازی انرژی و تأمین برق تجهیزات الکترونیکی کم‌مصرف را نیز دارند.

در این مقاله، ضمن معرفی مفهوم باتری‌های سیمانی، به بررسی نحوه‌ی عملکرد آن‌ها، مزایا، چالش‌ها و چشم‌اندازهای آینده‌ی این فناوری پرداخته‌ایم. شاید در آینده‌ای نه‌چندان دور، همین پیاده‌روهایی که بر آن‌ها قدم می‌زنیم، انرژی خانه‌هایمان را تأمین کنند.

باتری سیمانی چیست؟

احتمالا تاکنون با فناوری‌های نوینی آشنا شده باشید که برای تأمین انرژی طراحی شده‌اند؛ برای نمونه، باتری Powerwall ساخت شرکت تسلا یکی از این نوآوری‌هاست. این تکنولوژی در حقیقت یک باتری لیتیوم-یونی جعبه‌ای و دیواری است که می‌تواند خانه شما را برای حدود نصف روز برق‌رسانی کند. اما حالا تصور کنید اگر خانه شما خودِ باتری بود چه؟

باتری سیمانی نوعی فناوری نوظهور در حوزه ذخیره‌سازی انرژی است که در آن از سیمان به عنوان بخشی از ساختار باتری استفاده می‌شود. این باتری‌ها با ترکیب سیمان و مواد رسانای الکتریکی، قابلیت ذخیره‌سازی انرژی را در خود پیدا می‌کنند و می‌توان آن‌ها را مستقیماً در اجزای سازه‌ای مانند پی ساختمان‌ها یا روسازی جاده‌ها جای داد.

به‌تازگی، پژوهشگران روش جدیدی برای ذخیره برق در سیمان یافته‌اند که از مواد ارزان و با فراوانی بالا استفاده میکند. در صورت توسعه این فناوری در مقیاس بزرگ، چنین باتری‌هایی می‌توانند انرژی لازم برای مصرف روزانه یک خانه را در ساختار بتنی آن ذخیره کنند. حتی در مقیاس‌های بزرگ‌تر، این امکان وجود دارد که جاده‌ها به باتری‌های عظیم تبدیل شوند و هنگام حرکت، سوخت و انرژی خودروهای برقی را تامین کنند. اگر این فناوری از نظر اقتصادی نیز بهینه شود، می‌تواند ظرفیت ذخیره انرژی تقریبا نامحدودی از منابع ناپایدار و تجدیدپذیری مثل خورشیدی و بادی فراهم کند.

جاده الکتریکی همراستا با ایده باتری سیمانی — _{اگر سازه‌ها بتوانند انرژی ذخیره کنند، چرا جاده‌ها نتوانند؟ تصویری از فناوری جاده‌های الکتریکی که هم‌راستا با ایده فناوری باتری سیمانی، آینده را بازتعریف می‌کند.}

این ویژگی، آن را به گزینه‌ای مکمل برای منابع ناپایدار و متغیری مانند انرژی خورشیدی و بادی تبدیل می‌کند. برای آشنایی بیشتر با چشم‌انداز این منابع پاک در جهان امروز، مقاله‌ی «آینده انرژی؛ آشنایی با 8 روش‌ نوین تولید برق و پایان قطعی برق» را مطالعه کنید.

باتری سیمانی چگونه کار می‌کند؟

برای اینکه بهتر بفهمیم باتری سیمانی چطور کار می‌کند، بد نیست ابتدا خیلی خلاصه با ساختار کلی یک باتری آشنا شویم. در ساده‌ترین حالت، باتری وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. ساختار اصلی آن شامل دو الکترود فلزی به نام‌های آند و کاتد است که درون یک محلول شیمیایی (الکترولیت) قرار دارند. زمانی که باتری به یک مدار متصل می‌شود، واکنش‌های شیمیایی درون آن باعث ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. این جریان همان انرژی‌ای است که برای روشن کردن وسایل برقی استفاده می‌شود.

اما در باتری های سیمانی کمی اوضاع متفاوت است. این نوع از باتری‌ها در دسته‌ی باتری‌های جامد قرار می‌گیرند. در این نوع باتری، آب موجود در منافذ خمیر سیمان سخت‌شده (که نوعی محلول یونی است) نقش الکترولیت را دارد و جابه‌جایی یون‌ها از طریق آن انجام می‌شود که این موضوع شاید در ذهن شما سوالی را ایجاد کند؛ چگونه در سیمان که ظاهری خشک و جامد دارد، آب وجود دارد و این آب چگونه می‌تواند به عنوان الکترولیت در باتری سیمانی عمل کند؟

اما جالب است بدانید که در علم مواد اینطور گفته میشود که اگرچه سیمان دارای ظاهری خشک و جامد است اما در ساختار داخلی آن شبکه‌ای از منافذ بسیار ریز و مویرگی مانند اسفنج وجود دارد که با محلولی به نام «محلول منافذ» پر شده‌اند. این محلول در واقع آب حاوی یون‌های حل‌شده‌ای است که در فرایند هیدراتاسیون سیمان تولید می‌شود. این آب و یون‌ها امکان حرکت یون‌ها و جریان الکتریکی را درون سیمان فراهم می‌کنند که اساس کار باتری‌های سیمانی است. بنابراین، وجود این محلول منافذ در سیمان جامد، کلید عملکرد باتری سیمانی به عنوان یک ماده چندکاربردی است.

پتانسیل ها و مزایا باتری سیمانی

این روزها توسعه‌ی فناوری باتری سیمانی به یکی از موضوعات جذاب برای پژوهشگران حوزه‌ی مصالح ساختمانی چندکاره تبدیل شده است. از این جهت که امروزه در طراحی مصالح ساختمانی آینده، تأکید ویژه ای بر ویژگی‌های چندمنظوره مانند خودحسی، خودتأمینی انرژی، پایش سلامت سازه و تاب آوری شهری وجود دارد.

از طرفی سیمان رسانا یکی از این مصالح نوین است که با افزودن مواد افزودنی مانند الیاف کربنی، نانو‌لوله‌ها یا ضایعات فلزی بازیافتی، رسانایی الکتریکی آن افزایش یافته و کاربردهای بیشتری همچون جلوگیری از یخ‌زدگی جاده، حفاظت کاتدی میلگردها و محافظت در برابر صاعقه را ممکن می‌سازد.

مزیت دیگر این الکترولیت، جامد بودن آن است. درست است که الکترولیت مایع از نظر عملکرد بهتر است، اما مشکل نشت و خطرات زیست‌محیطی نیز دارد که نوع جامد با وجود رسانایی کمتر و نیاز به تحریک، این مشکل را ندارد.

همچنین همانطور که گفته شد باتری‌های سیمانی این قابلیت را دارند که خانه‌ها و جاده‌ها را به منابع ذخیره انرژی تبدیل کنند و با توجه به قیمت پایین و در دسترس بودن مواد اولیه، این فناوری می‌تواند راهی مقرون‌به‌صرفه برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس گسترده و پشتیبانی از منابع تجدیدپذیر فراهم کند.

از دیگر مزایا باتری سیمانی میتوان به این اشاره کرد که این نوع باتری به‌دلیل استفاده از مواد غیرسمی و بازیافتی، تاثیر محیط‌زیستی بسیار کمتری نسبت به باتری‌های سنتی دارند. عدم استفاده از فلزات سنگین و مواد شیمیایی خطرناک باعث کاهش آلودگی خاک و آب می‌شود و بازیافت آن‌ها آسان‌تر است، که این باتری‌ها را دوستدار محیط‌زیست می‌کند.

و اما مهمتر از همه، باتری‌های بتنی یا سیمانی می‌توانند به مشکل تناوب کمک کنند. تناوب به معنی عرضه نابرابر انرژی های تجدیدپذیر است که معمولا از تغییرات طبیعی در نور خورشید و سرعت باد ناشی میشود. بنابراین زمانی که انرژی‌های تجدیدپذیر برق زیادی تولید نمی‌کنند، منابع انرژی می‌تواند با انرژی ذخیره‌شده در بافت ساختمان‌ها تقویت شوند.
همینطور از آن‌جایی که باتری‌های سیمانی می‌توانند در دل سازه‌های بتنی قرار بگیرند، بدون نیاز به فضای اضافه یا تجهیزات جانبی، یکی از مزیت‌های مهم آن‌ها همین ادغام بی‌نقص با ساختار شهری است. این ویژگی، به‌ویژه در شهرهایی که به دنبال کاهش مصرف منابع، افزایش بهره‌وری و حرکت به‌سوی توسعه‌ی زیرساخت پایدار هستند، اهمیت زیادی دارد.

درواقع، باتری سیمانی را می‌توان گامی در جهت تحقق شهرهای سبز دانست زیرا از مصالحی استفاده می‌کنند که همزمان کارکرد سازه‌ای و انرژی دارند و آلودگی خاصی هم ایجاد نمی‌کنند. اگر علاقه‌مند به موضوع طراحی شهری پایدار هستید، مقاله‌ی «همه چیز درباره شهر سبز: از انرژی خورشیدی تا حمل و نقل پاک» دانشنامه آماگ را از دست ندهید.

پژوهش ها و نمونه های آزمایشی

در سراسر جهان، دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی مختلف به دنبال توسعه فناوری باتری سیمانی هستند تا از مزایای آن برای ذخیره انرژی در ساختمان‌ها، جاده‌ها و زیرساخت‌های شهری بهره‌مند شوند. به عنوان نمونه، در مؤسسه هلمهولتز اولم در آلمان، تیمی از پژوهشگران با همکاری چند دانشگاه و مراکز علمی برجسته، روی استفاده از سیمان الکتریکی برای ساخت سوپرخازن‌های ساختاری کار می‌کنند که بتوانند انرژی قابل‌توجهی در سازه‌های بتنی ذخیره کنند.

ساختمان موسسه هلمهولتز اولم آلمان — _{ساختمان موسسه پژوهشی هلمهولتز اولم در آلمان}

در سوی دیگر، کنسرسیوم Nanocem در سوئیس به عنوان یک شبکه بین دانشگاهی و صنعتی، به بررسی دقیق خواص سیمان در مقیاس نانو و میکرو می‌پردازد تا ضمن کاهش انتشار کربن، به تولید سیمان‌های پیشرفته با قابلیت ذخیره انرژی بهتر دست یابد. این همکاری بین صنعت و دانشگاه باعث شده تحقیقات کاربردی‌تر و راه‌حل‌های عملی برای فناوری باتری سیمانی توسعه یابد.

همچنین، پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) در آمریکا موفق به توسعه نوعی بتن شده‌اند که توانایی ذخیره برق را دارد. آن‌ها با استفاده از کربن بلک (carbon black) به عنوان ماده‌ای ارزان و رسانا، موفق شده‌اند بتن‌هایی تولید کنند که به عنوان نوعی باتری عمل می‌کنند. هدف نهایی این گروه، استفاده از زیرساخت‌های بتنی مانند فونداسیون ساختمان‌ها یا جاده‌ها به عنوان باتری‌هایی بزرگ برای ذخیره برق، به‌ویژه از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی است.

این نمونه‌ها نشان می‌دهد که باتری سیمانی نه تنها می‌توانند ذخیره انرژی را مقرون‌به‌صرفه‌تر کنند، بلکه پتانسیل بالایی برای ایجاد زیرساخت‌های هوشمند انرژی در آینده نزدیک دارند.

چالش ها و محدودیت های باتری سیمانی

اما در کنار این پیشرفت‌هایی که در این حوزه داشتیم، چالش‌های مهمی نیز وجود دارد. نخستین محدودیت باتری سیمانی این است که سیمان به عنوان ماده اصلی بتن، به طور طبیعی هدایت الکتریکی بسیار کمی دارد که این موضوع عملکرد باتری‌های سیمانی را محدود می‌کند. برای رفع این مشکل، پژوهشگران اقدام به ترکیب سیمان با مواد کربنی رسانای قوی مانند گرافن و نانولوله‌های کربنی کرده‌اند که باعث افزایش رسانایی و بهبود عملکرد باتری می‌شود.

چالش بعدی این است که هزینه بالای مواد رسانای کربنی است که تولید آنها در مقیاس وسیع و صنعتی برای استفاده در حجم‌های بزرگ سیمان بسیار دشوار و پرهزینه است. این امر محدودیتی جدی برای کاربرد گسترده باتری سیمانی ایجاد کرده است و هنوز بهینه‌سازی‌های اقتصادی و صنعتی لازم برای استفاده وسیع از این فناوری انجام نشده است. بنابراین، هرچند این باتری‌ها پتانسیل بالایی برای ذخیره انرژی در مواد ساختمانی دارند، اما چالش‌های اقتصادی و فنی قابل توجهی پیش روی توسعه و تجاری‌سازی آنها قرار دارد.

مقیاس‌پذیری و تولید انبوه نیز از دیگر موانع اصلی است. فناوری فعلی عمدتاً در مقیاس آزمایشگاهی باقی مانده و هنوز چالش‌های زیادی برای تولید صنعتی، یکنواخت‌سازی عملکرد در ابعاد بزرگ، و اطمینان از دوام بلندمدت این باتری‌ها وجود دارد.

در نهایت، نبود استانداردهای فنی مشخص برای ارزیابی عملکرد این نوع باتری‌ها، فرآیند مقایسه و بهینه‌سازی را دشوار کرده است. برای تحقق عملی این فناوری، لازم است پژوهش‌های بیشتری در زمینه دوام، ایمنی، رفتار در برابر شرایط محیطی و نحوه اتصال آن به سیستم‌های الکتریکی انجام گیرد.

باتری سیمانی در مقایسه با دیگر گزینه های موجود

باتری‌های سیمانی، برخلاف باتری‌های رایج لیتیوم-یون یا نیکل-کادمیوم، از مصالح ساختمانی متداول مانند سیمان و کربن استفاده می‌کنند. این ویژگی، نه‌تنها آن‌ها را به گزینه‌ای اقتصادی‌تر برای کاربردهای خاص تبدیل می‌کند، بلکه امکان ادغام آن‌ها در سازه‌های ساختمانی را نیز فراهم می‌سازد؛ چیزی که باتری‌های معمول از آن بی‌بهره‌اند.

در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون که توان و چگالی انرژی بالایی دارند اما گران، سمی و مستعد آتش‌سوزی‌اند، باتری سیمانی از نظر ایمنی و دسترسی به مواد اولیه برتری دارند، اما چگالی انرژی آن‌ها بسیار پایین‌تر است. همچنین، در حالی‌که باتری‌های لیتیومی نیاز به فضای مجزا دارند، باتری ساخته شده از سیمان می‌تواند بخشی از خود ساختمان باشد، بدون اشغال فضای اضافی.

و در مقایسه با پنل‌های خورشیدی یا توربین‌های بادی که برای تولید انرژی به شرایط محیطی وابسته‌اند، باتری‌های سیمانی صرفاً نقش ذخیره‌سازی دارند و نه تولید. با این‌حال، می‌توانند مکمل بسیار خوبی برای این منابع تجدیدپذیر باشند؛ به‌ویژه در شرایطی که نیاز به ذخیره برق تولیدی در سازه‌ها یا مناطق دورافتاده وجود دارد.

از سوی دیگر، در قیاس با پیل‌های سوختی یا ژنراتورها که عموماً نیازمند سوخت‌ فسیلی‌اند، باتری سیمانی روشی پایدارتر و کم‌هزینه‌تر برای تأمین توان‌های پایین، به‌ویژه در سیستم‌هایی مانند حسگرهای اینترنت اشیاء (IoT) یا حفاظت کاتدی سازه‌های بتنی به شمار می‌رود.

در نهایت، اگرچه این نوع باتری‌ها هنوز در مراحل ابتدایی توسعه هستند، اما ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها در ترکیب سازه‌ای و عملکرد انرژی، افق‌های جدیدی را در طراحی ساختمان‌های هوشمند و زیرساخت‌های آینده باز می‌کند.

چشم‌اندازها و افق‌های آینده باتری سیمانی

باتری‌های سیمانی نویدبخش تحولی بزرگ در حوزه ذخیره‌سازی انرژی و ساخت‌وساز پایدار هستند. با توجه به ظرفیت بالقوه آنها برای ادغام ذخیره انرژی در مصالح ساختمانی، افق‌های جدیدی برای شهرهای هوشمند، ساختمان‌های خودتأمین و زیرساخت‌های انرژی پاک گشوده شده است.

ساختمان‌های هوشمند و خودتأمین انرژی

در آینده، ساختمان‌ها می‌توانند علاوه بر وظیفه اصلی خود یعنی فراهم کردن فضای مسکونی یا کاری، به عنوان واحدهای ذخیره‌سازی انرژی عمل کنند. با استفاده از باتری سیمانی، بتن ساختمان قادر خواهد بود انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر را در خود ذخیره کند و در مواقع نیاز، برق مورد استفاده را تأمین نماید. این امر باعث کاهش وابستگی به شبکه‌های برق و افزایش پایداری انرژی می‌شود.
زیرساخت‌های شهری پایدار

باتری‌های سیمانی می‌توانند در ساخت جاده‌ها، پل‌ها و پیاده‌روها به کار روند و این سازه‌ها را به منابع ذخیره انرژی تبدیل کنند. به طور مثال، جاده‌های الکتریکی قادر خواهند بود خودروهای برقی را حین حرکت شارژ کنند و به کاهش نیاز به ایستگاه‌های شارژ سنتی کمک کنند.
کاهش هزینه و افزایش دسترسی به انرژی پاک

با پیشرفت فناوری و کاهش هزینه تولید، باتری سیمانی با آنکه در آغاز ممکن است نیازمند هزینه برای فراهم کردن مواد رسانای کربنی باشد اما با استفاده از گزینه های جایگزین مانند کربن‌بلک ارزان، ضایعات صنعتی حاوی کربن، یا نانومواد زیستی، می‌توان این باتری ها را گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای کشورهای در حال توسعه بدل کرد که به دنبال راه‌حل‌های کم‌هزینه و پایدار برای ذخیره انرژی از منابع تجدیدپذیر هستند.
همکاری با فناوری‌های دیگر انرژی

فناوری باتری‌ سیمانی می‌توانند به صورت مکمل در کنار سایر سیستم‌های تولید انرژی مانند پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی و سیستم‌های ژئوترمال استفاده شوند تا کارایی و انعطاف‌پذیری کلی سیستم انرژی افزایش یابد.
تحقیقات و توسعه مداوم

با وجود اینکه هنوز چالش‌هایی مانند بهبود چگالی انرژی و دوام طولانی‌مدت وجود دارد، تحقیقات گسترده‌ای در سراسر جهان در حال انجام است تا مواد بهتری برای باتری سیمانی کشف شود و فناوری‌های ساخت آن بهبود یابد.

جمع بندی و نتیجه گیری

باتری‌های سیمانی نوعی فناوری نوظهور در ذخیره‌سازی انرژی هستند که از خواص الکتروشیمیایی سیمان برای انتقال یون‌ها بین الکترودها بهره می‌برند. در این باتری‌ها، سیمان به عنوان الکترولیت عمل کرده و اجازه می‌دهد یون‌ها در منافذ سیمان حرکت کنند و انرژی الکتریکی تولید شود. این ساختار خاص، بتن را از یک ماده صرفاً سازه‌ای به یک سیستم فعال ذخیره انرژی تبدیل می‌کند.

پژوهش‌های متعددی در دانشگاه‌ها و مؤسسات تحقیقاتی جهان، از جمله دانشگاه‌های آلمانی، MIT و مراکز تحقیقاتی سوئیس، به توسعه انواع باتری‌های سیمانی پرداخته‌اند. این مطالعات بر بهبود خواص رسانایی سیمان با افزودن موادی مثل کربن سیاه و گرافن متمرکز بوده و به دنبال افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی و دوام این باتری‌ها هستند.

از نظر کاربرد، باتری ساخته شده از سیمان قابلیت ذخیره انرژی در ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها را دارد، به طوری که مثلاً می‌توانند برق مصرفی روزانه یک خانه را تأمین کند یا حتی در آینده جاده‌های برقی، انرژی خودروهای الکتریکی را به‌صورت القایی تامین نماید. این فناوری پتانسیل بالایی برای کاهش هزینه‌ها و افزایش ایمنی نسبت به باتری‌های سنتی دارد، هرچند هنوز در مراحل توسعه و بهینه‌سازی قرار دارد.

در کل، باتری سیمانی یک راهکار نوآورانه و آینده‌دار در حوزه انرژی‌های پایدار هست که می‌توانند نقش مهمی در ادغام انرژی و ساخت‌وساز ایفا کند و زمینه‌ساز ساختمان‌ها و شهرهای هوشمند با توان ذخیره‌سازی انرژی باشد.