Ερευνητές του Πανεπιστημίου Washington στο Σαιντ Λούις, στις ΗΠΑ, μετατρέπουν κοινά κόκκινα τούβλα σε μέσα αποθήκευσης ενέργειας. Ένα πείραμα «έξυπνου τοίχου» κατάφερε να αποθηκεύσει ρεύμα και να τροφοδοτήσει ένα λαμπάκι LED, ανοίγοντας τον δρόμο για κτήρια που λειτουργούν ως γιγάντιες μπαταρίες. Πώς λειτουργεί αυτή η καινοτομία, ποια τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί της, και πώς συγκρίνεται με άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας όπως οι μπαταρίες λιθίου, οι υπερπυκνωτές και οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης;
Τούβλα που αποθηκεύουν ενέργεια: Από φθηνό δομικό υλικό, «μπαταρία» τοίχου
Φανταστείτε να μπορείτε να φορτίσετε το κινητό σας ή να ανάψετε τα φώτα συνδέοντάς τα απευθείας… στον τοίχο του σπιτιού σας. Μια ομάδα χημικών στο Πανεπιστήμιο Washington στο Σαιντ Λούις των ΗΠΑ πέτυχε κάτι πρωτοφανές: έδειξε ότι τα κοινά κόκκινα τούβλα – ένα από τα φθηνότερα και πιο συνηθισμένα δομικά υλικά – μπορούν να μετατραπούν σε συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι ερευνητές αγόρασαν απλά τούβλα από ένα κατάστημα οικοδομικών υλικών, κόστους μόλις ~$0,65 το καθένα, και τα μετέτρεψαν σε αυτό που αποκαλούν «έξυπνα τούβλα» – ουσιαστικά, σε υπερπυκνωτές που λειτουργούν σαν μια μορφή επαναφορτιζόμενης «μπαταρίας» .
Τι σημαίνει «τούβλο-υπερπυκνωτής»; Οι υπερπυκνωτές (supercapacitors) είναι ενεργειακές συσκευές παρόμοιες με τις μπαταρίες ως προς το ότι έχουν δύο ηλεκτρόδια και έναν ηλεκτρολύτη, αλλά αποθηκεύουν την ενέργεια διαφορετικά: όχι μέσω χημικών αντιδράσεων, αλλά ως στατικό ηλεκτρικό φορτίο στις επιφάνειες των ηλεκτροδίων. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να φορτίζονται και να εκφορτίζονται πολύ πιο γρήγορα από τις παραδοσιακές μπαταρίες, προσφέροντας έντονες αλλά σύντομες «εκρήξεις» ισχύος. Η ομάδα του Πανεπιστημίου Washington αξιοποίησε αυτή την αρχή και προσέθεσε αξία στα παραδοσιακά τούβλα, μετατρέποντάς τα σε αποθήκες ρεύματος. «Τα τούβλα υπάρχουν εδώ και χιλιάδες χρόνια, αλλά εμείς τους δώσαμε νέα αξία και λειτουργικότητα», ανέφερε χαρακτηριστικά ο επικεφαλής χημικός Τζούλιο Ντ’ Άρσυ [Julio D’Arcy].
Πώς μετατρέπεται ένα απλό τούβλο σε συσκευή αποθήκευσης – Η τεχνολογία του PEDOT
Για να μετατρέψουν το αδρανές κεραμικό τούβλο σε συσσωρευτή ηλεκτρικής ενέργειας, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια ειδική επικάλυψη από αγώγιμο πολυμερές PEDOT [poly(3,4-αιθυλενοδιοξυθειοφαίνιο)]. Το πολυμερές αυτό σχηματίζει νανοΐνες που διεισδύουν στο πορώδες εσωτερικό του τούβλου, δημιουργώντας ένα είδος αγώγιμου δικτύου. Το δίκτυο αυτό παγιδεύεται μέσα στους πόρους του τούβλου και λειτουργεί σαν «σφουγγάρι ιόντων», αποθηκεύοντας και μεταφέροντας ηλεκτρικό φορτίο .
Το κλειδί για να επιτευχθεί αυτή η επίστρωση είναι η κόκκινη χρωστική του τούβλου – το οξείδιο του σιδήρου, δηλαδή η σκουριά. Οι επιστήμονες εκμεταλλεύτηκαν τη σκουριά που υπάρχει φυσικά (~8% του βάρους ενός καμένου τούβλου) ως χημικό αντιδραστήρα. Συγκεκριμένα, διοχέτευσαν ατμούς υδροχλωρικού οξέος μέσα στους πόρους του τούβλου σε θερμοκρασία ~160°C, ώστε το οξείδιο του σιδήρου να διαλυθεί απελευθερώνοντας ιόντα σιδήρου (Fe^3+). Στη συνέχεια, εισήγαγαν ατμούς ενός μονομερούς (του EDOT), το οποίο πολυμερίστηκε επάνω στη σκουριά – ουσιαστικά η παρουσία των ιόντων σιδήρου ενεργοποίησε την αντίδραση που μετέτρεψε το μονομερές σε αγώγιμο πολυμερές PEDOT, επενδύοντας το εσωτερικό του τούβλου . Με αυτόν τον τρόπο το τούβλο απέκτησε εσωτερικά ένα «πλαστικό» αγώγιμο στρώμα. Για την ολοκλήρωση της συσκευής, δύο τέτοια επικαλυμμένα κομμάτια τούβλου λειτουργούν ως ηλεκτρόδια, με έναν τζελ ηλεκτρολύτη ανάμεσά τους (ο οποίος δρα και ως «κονίαμα» συγκόλλησης), και όλο το σύνολο καλύπτεται με μονωτική εποξική ρητίνη ώστε να είναι αδιάβροχο και μονωμένο.
Το αποτέλεσμα; Ένα σκούρο μπλε «έξυπνο τούβλο» (από το κόκκινο έγινε μπλε, μετά την αντίδραση) που μπορεί να φορτιστεί με ηλεκτρική ενέργεια και να την αποθηκεύσει για μετέπειτα χρήση . Ουσιαστικά, το τούβλο αυτό λειτουργεί σαν υπερπυκνωτής: φορτίζεται σε μερικά λεπτά και κρατά το φορτίο του για λίγο, αλλά μπορεί να δώσει γρήγορα ρεύμα όταν συνδεθεί σε κάποιο κύκλωμα. Σε εργαστηριακό επίπεδο, τρία τέτοια «υπερ-τούβλα» συνδεδεμένα μαζί κατάφεραν να ανάψουν ένα μικρό πράσινο λαμπάκι LED για έως 10-15 λεπτά . Η πλήρης φόρτιση του πρωτότυπου επιτεύχθηκε μέσα σε ~13 λεπτά, και μάλιστα οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η συσκευή μπορεί να επαναφορτιστεί τουλάχιστον 10.000 φορές χωρίς σημαντική απώλεια απόδοσης – έναν αριθμό κύκλων κατά πολύ ανώτερο από τις συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.
Ευρήματα και δυνατότητες: Από ένα LED για λίγα λεπτά, σε φωτισμό ανάγκης για ώρες
Η έρευνα αυτή, που δημοσιεύτηκε τον Αύγουστο του 2020 στο Nature Communications, λειτούργησε ως απόδειξη ότι τα δομικά υλικά ενός σπιτιού μπορούν να αποκτήσουν και δεύτερο ρόλο: εκτός από το να στηρίζουν την οικία, να λειτουργούν και ως αποθήκες ρεύματος. Ένας τοίχος φτιαγμένος από τέτοια ενεργειακά τούβλα θα μπορούσε να χρησιμεύσει ταυτόχρονα ως στατικός τοίχος και ως «μπαταρία» που αποθηκεύει ρεύμα, π.χ. από ηλιακά πάνελ . Οι πρώτοι υπολογισμοί της ομάδας του Ντ’ Άρσυ δείχνουν ότι 50 «έξυπνα τούβλα» συνδεδεμένα μαζί θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσουν φωτισμό ανάγκης (π.χ. φώτα ασφαλείας) για περίπου πέντε ώρες . Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν τα τούβλα φορτίζονται στη διάρκεια της ημέρας μέσω φωτοβολταϊκών στοιχείων στην οροφή ή στους τοίχους και εκφορτίζονται όταν χρειάζεται (π.χ. σε μια διακοπή ρεύματος) για να ανάψουν τα φώτα ασφαλείας.
Βεβαίως, προς το παρόν οι δυνατότητες αυτές είναι περιορισμένες σε μικρές εφαρμογές. Όπως παραδέχονται οι ερευνητές, η ενεργειακή χωρητικότητα των πρωτότυπων «τούβλων-υπερπυκνωτών» φτάνει μόλις το ~1% της χωρητικότητας μιας αντίστοιχου μεγέθους μπαταρίας ιόντων λιθίου . Με άλλα λόγια, για να αποθηκεύσουμε την ίδια ενέργεια που παρέχει μια μικρή μπαταρία, θα χρειαζόμασταν πολλές δεκάδες τέτοια τούβλα. Πράγματι, το επίτευγμα με το λαμπάκι LED είναι ένα εντυπωσιακό πρώτο αποτέλεσμα, όμως αφορά πολύ μικρή ποσότητα ρεύματος (τάξης μερικών βατ και για λίγα λεπτά) .
Οι επιστήμονες εργάζονται ήδη για να βελτιώσουν αυτή τη χωρητικότητα. Ένας τρόπος είναι η ανάμιξη άλλων μετάλλων στο υλικό του τούβλου – για παράδειγμα προσθήκη ιόντων μαγγανίου – ώστε να εμπλουτιστεί το τούβλο με υλικά που μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερα ιόντα και να αυξήσουν την ενεργειακή πυκνότητα . Επιπλέον, με τεχνικές βελτιστοποίησης της σύνθεσης του πολυμερούς και της διείσδυσής του, ελπίζουν να επιτύχουν μεγαλύτερη αποθήκευση ενέργειας ανά τούβλο. Ο ίδιος ο Ντ’ Άρσυ δήλωσε ότι το τρέχον επίτευγμα επαρκεί για «να ανάψεις φώτα ανάγκης σε έναν διάδρομο ή αισθητήρες μέσα στους τοίχους», όμως το επόμενο βήμα είναι «να αποθηκεύσουμε αρκετό ρεύμα ώστε να τροφοδοτήσουμε απευθείας μεγαλύτερες συσκευές – όπως ένα λάπτοπ – από τους τοίχους του σπιτιού» .
Πλεονεκτήματα των «έξυπνων τούβλων»
Παρά τις περιορισμένες επιδόσεις προς το παρόν, η ιδέα των ενεργειακών τούβλων παρουσιάζει ορισμένα σαφή πλεονεκτήματα που τη διαφοροποιούν από τις κλασικές μπαταρίες και υπερπυκνωτές:
- Χαμηλό κόστος και ευκολία κλιμάκωσης: Τα βασικά υλικά είναι πολύ φθηνά και κοινά – ένα απλό τούβλο στοιχίζει λιγότερο από ένα δολάριο και οι χημικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται (ατμοί οξέος και μονομερούς) είναι σχετικά απλές, κατάλληλες να επεκταθούν σε μαζική παραγωγή. Ο Ντ’ Άρσυ αναφέρει ότι ένα επικαλυμμένο τούβλο σήμερα κοστίζει περίπου τρεις φορές περισσότερο από ένα απλό (δηλ. ~$2 αντί $0,65) λόγω της διαδικασίας, αλλά πιστεύει πως με την παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα το κόστος αυτό θα πέσει σημαντικά. Εφόσον τα τούβλα είναι από τα φθηνότερα δομικά υλικά παγκοσμίως, η προοπτική «τούβλων-μπαταριών» θα μπορούσε να είναι οικονομικά προσιτή ευρέως – κάτι που ο Ντ’ Άρσυ τονίζει ως στόχο, ώστε η τεχνολογία να είναι προσβάσιμη σε όλους, ακόμα και στον αναπτυσσόμενο κόσμο.
- Ενσωμάτωση στην κατασκευή – εξοικονόμηση χώρου: Σε αντίθεση με τις ξεχωριστές μπαταρίες ή τις μεγάλες μονάδες αποθήκευσης που απαιτούν ειδικό χώρο, εδώ η αποθήκευση ενέργειας ενσωματώνεται σε υπάρχοντα στοιχεία της κατασκευής (τους τοίχους). Αυτό σημαίνει εξοικονόμηση χώρου και βάρους – δεν χρειάζεται να εγκαταστήσουμε ξεχωριστές μπαταρίες στους χώρους, αφού οι ίδιοι οι τοίχοι λειτουργούν ως τέτοιες. Όπως σημείωσε ανεξάρτητη ειδικός, η ιδέα θυμίζει τις «έξυπνες υφασμάτινες ίνες», όπου ενσωματώνονται ηλεκτρονικές λειτουργίες σε ρούχα: έχει αξία να ενσωματώνουμε αποθήκευση ενέργειας σε κοινά υλικά για να μη πιάνει έξτρα όγκο ή βάρος στον σχεδιασμό .
- Ασφάλεια και σταθερότητα: Τα «τούβλα-υπερπυκνωτές» δεν περιέχουν εύφλεκτα υγρά ούτε πιεσμένα δοχεία όπως οι κλασικές μπαταρίες. Είναι ουσιαστικά στερεά υλικά (κεραμικό με πολυμερές) χωρίς κίνδυνο διαρροής ή έκρηξης. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να τοποθετηθούν πολλά μαζί (π.χ. σε έναν τοίχο) χωρίς τον κίνδυνο υπερθέρμανσης ή έκρηξης που υπάρχει αν στοιβάξουμε πολλές συμβατικές μπαταρίες. Μάλιστα ο ερευνητής Χονγκμίν Ουάνγκ [Hongmin Wang] τόνισε πως το πλεονέκτημα είναι ότι «ο καθένας μπορεί να φτιάξει έναν υπερπυκνωτή όσο μεγάλο θέλει, απλώς στοιβάζοντας τούβλα, κάτι που με τις μπαταρίες είναι δύσκολο λόγω κινδύνου έκρηξης». Επιπλέον, σε δοκιμές, οι επικαλυμμένοι τοίχοι αποδείχθηκαν ανθεκτικοί: λειτούργησαν ακόμα και βυθισμένοι κάτω από νερό (χάρη στην προστατευτική εποξική επίστρωση), διατηρώντας ένα LED αναμμένο επί 10 λεπτά , γεγονός που υποδηλώνει αντοχή σε υγρασία ή ακραίες συνθήκες.
- Ταχύτητα φόρτισης και διάρκεια ζωής: Όπως όλοι οι υπερπυκνωτές, έτσι και οι ενεργειακοί τοίχοι μπορούν να φορτιστούν πολύ γρήγορα. Η φόρτισή τους με ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε να γίνει μέσα σε λίγα λεπτά ή ώρες (ανάλογα την πηγή), και το σημαντικότερο: αντέχουν εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης χωρίς σοβαρή υποβάθμιση. Σε αντίθεση με μια τυπική μπαταρία που αρχίζει να «γερνάει» μετά από μερικές εκατοντάδες ή χιλιάδες κύκλους, οι υπερπυκνωτές μπορούν να επαναφορτίζονται αδιάλειπτα. Αυτό καθιστά θεωρητικά τους τοίχους-υπερπυκνωτές ιδανικούς για μακροχρόνια χρήση δεκαετιών, χωρίς ανάγκη αντικατάστασης του συστήματος αποθήκευσης.
Μειονεκτήματα και προκλήσεις της τεχνολογίας
Φυσικά, η προσέγγιση αυτή συνοδεύεται και από σημαντικές προκλήσεις και περιορισμούς, που πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού δούμε «έξυπνα τούβλα» στα κτήριά μας:
- Πολύ περιορισμένη ενεργειακή πυκνότητα: Όπως ήδη αναφέρθηκε, η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει ένα τέτοιο τούβλο είναι μικρή. Σε όρους ενεργειακής πυκνότητας, υπολογίζεται ότι είναι περίπου 100 φορές μικρότερη (1%) από εκείνη μιας σύγχρονης μπαταρίας λιθίου αντίστοιχου μεγέθους. Αυτό σημαίνει πρακτικά ότι για εφαρμογές υψηλής κατανάλωσης (π.χ. τροφοδοσία οικιακών συσκευών) η απαιτούμενη επιφάνεια τοίχου με «έξυπνα τούβλα» θα ήταν πολύ μεγάλη. Η τεχνολογία, στην παρούσα φάση, ενδείκνυται περισσότερο για μικρή κατανάλωση – όπως φωτισμός LED, αισθητήρες, συστήματα έκτακτης ανάγκης – παρά για αντικατάσταση μιας πλήρους μπαταρίας σπιτιού.
- Αυτοεκφόρτιση και χρόνος παροχής: Οι υπερπυκνωτές τείνουν να αποφορτίζονται πιο γρήγορα από τις μπαταρίες όταν αποσυνδεθούν από την πηγή ενέργειας, λόγω «διαρροής» του στατικού φορτίου. Αυτό σημαίνει ότι ένα ενεργειακό τούβλο θα διατηρήσει το φορτίο του για περιορισμένο χρόνο (ώρες ή λίγες ημέρες), σε σύγκριση με μια μπαταρία που μπορεί να το κρατήσει για εβδομάδες. Επίσης, παρέχουν ρεύμα για σχετικά σύντομη διάρκεια (λεπτά ή ώρες το πολύ, ανάλογα με το φορτίο) πριν αδειάσουν – δεν είναι σχεδιασμένα για συνεχή παροχή ενέργειας μεγάλης διάρκειας.
- Μη φέρουσα κατασκευή: Μια πρακτική ανησυχία είναι ότι τα τροποποιημένα αυτά τούβλα ίσως να μην διαθέτουν την ίδια μηχανική αντοχή με τα παραδοσιακά τούβλα. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι οι ενεργειακοί αυτοί τοίχοι είναι αρκετά ανθεκτικοί για διακοσμητικά χωρίσματα ή επενδύσεις, αλλά όχι για φέρουσες τοιχοποιίες που στηρίζουν βάρος . Η διαδικασία εμποτισμού με πολυμερές και η ανάγκη για κενά (πόρους) στο εσωτερικό ίσως μειώνουν την αντοχή, οπότε τουλάχιστον με τη σημερινή μορφή τους τα «έξυπνα τούβλα» δεν μπορούν να αντικαταστήσουν τους βασικούς δομικούς τοίχους ενός κτηρίου, παρά μόνο να προστεθούν ως επιπλέον στρώση ή μη φέρον στοιχείο.
- Ανάγκη προστασίας και συντήρησης: Η ύπαρξη αγώγιμου υλικού και ηλεκτρολύτη μέσα στα τούβλα σημαίνει ότι πρέπει να προστατεύονται από το περιβάλλον. Η ομάδα χρησιμοποίησε εποξική ρητίνη για να σφραγίσει τα τούβλα, καθιστώντας τα αδιάβροχα . Αυτό όμως προσθέτει μια επιπλέον διαδικασία και κόστος, και ενδεχομένως απαιτεί προσοχή κατά την εγκατάσταση (π.χ. αποφυγή τρυπήματος του τοίχου που θα έβλαπτε τη μόνωση και το κύκλωμα). Επίσης, παρότι το πολυμερές PEDOT είναι σταθερό, η μακροχρόνια γήρανση του υλικού σε πραγματικές συνθήκες (μεταβολές θερμοκρασίας, υγρασία, μηχανικές καταπονήσεις) μένει να μελετηθεί. Θα χρειαστεί να δούμε αν η απόδοση των ενεργειακών τούβλων παραμένει υψηλή μετά από χρόνια χρήσης ή αν χρειάζονται συντήρηση/αντικατάσταση.
- Πολυμερές και περιβαλλοντικό αποτύπωμα: Ένα μέρος του οράματος των «πράσινων» τεχνολογιών είναι η βιωσιμότητα. Τα τούβλα είναι πράγματι φθηνά και άφθονα, αλλά η διαδικασία περιλαμβάνει συνθετικό πολυμερές και χημικά (όπως το οξύ). Θα πρέπει να αξιολογηθεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα αυτής της τεχνολογίας – πόσο οικολογική είναι η παραγωγή των «έξυπνων τούβλων» και η διάθεσή τους μετά το πέρας ζωής τους, σε σύγκριση π.χ. με την παραγωγή μιας κλασικής μπαταρίας. Το θετικό είναι ότι χρησιμοποιεί ως βάση ένα υλικό που ήδη υπάρχει παντού (τούβλο) αντί για σπάνια μέταλλα, όμως η προσθήκη πλαστικού και άλλων ουσιών ίσως εγείρει ζητήματα ανακύκλωσης. Αυτά είναι θέματα που θα αντιμετωπιστούν καθώς η τεχνολογία ωριμάζει.
Σε κάθε περίπτωση, οι εμπλεκόμενοι επιστήμονες αναγνωρίζουν ότι η καινοτομία βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο και δεν προορίζεται να αντικαταστήσει άμεσα τις υπάρχουσες λύσεις αποθήκευσης. Περισσότερο λειτουργεί συμπληρωματικά και διευρύνει το πεδίο: μας δείχνει ότι μπορούμε να σκεφτούμε «έξω από κουτάκια» (ή μάλλον, μέσα στο τούβλο!) όταν αναζητούμε τρόπους αποθήκευσης καθαρής ενέργειας.
Σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου – το σημερινό στάνταρ
Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σήμερα η κυρίαρχη τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικά οχήματα αλλά και σε σταθερές εγκαταστάσεις (από power banks μέχρι μεγάλα συστήματα backup). Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα: μια μπαταρία λιθίου μπορεί να αποθηκεύει πολύ ενέργεια σε μικρό όγκο και βάρος, συνήθως της τάξης των 100-200 Wh ανά κιλό μάζας . Αυτό επιτρέπει σε ένα μικρό πακέτο να τροφοδοτεί π.χ. ένα smartphone επί ώρες ή ένα αυτοκίνητο επί εκατοντάδες χιλιόμετρα.
Σε σύγκριση, τα «τούβλα-υπερπυκνωτές» έχουν ενεργειακή πυκνότητα μόλις ~1-2 Wh/kg (δηλ. κάτω από το 1/100 μιας μπαταρίας), συνεπώς δεν μπορούν να ανταγωνιστούν τις μπαταρίες λιθίου στο πόση ενέργεια αποθηκεύουν. Ωστόσο, οι μπαταρίες λιθίου έχουν και μειονεκτήματα: βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις που είναι σχετικά αργές (παίρνει ώρα να φορτίσει κανείς μια μπαταρία πλήρως) και φθείρονται με τη χρήση. Μια τυπική μπαταρία λιθίου αρχίζει να χάνει σημαντικό μέρος της χωρητικότητάς της μετά από 500-1.000 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης ή μερικά χρόνια χρήσης. Επίσης, οι μπαταρίες αυτές περιέχουν εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη – έναν οργανικό διαλύτη – ο οποίος μπορεί να υπερθερμανθεί και να προκαλέσει ανάφλεξη ή και έκρηξη αν η μπαταρία υποστεί ζημιά ή κακομεταχείριση. Δεν είναι λίγα τα περιστατικά συσκευών ή οχημάτων όπου μπαταρίες λιθίου πήραν φωτιά. Επιπλέον, ο υγρός ηλεκτρολύτης περιορίζει την ταχύτητα φόρτισης (γιατί ζεσταίνεται αν σπρώξουμε πολύ ρεύμα πολύ γρήγορα).
Αντίθετα, τα τούβλα-υπερπυκνωτές δεν έχουν εύφλεκτα υλικά και φορτίζονται ταχύτατα – μέσα σε λεπτά – χωρίς κίνδυνο υπερθέρμανσης. Φυσικά, πληρώνουν το τίμημα σε χωρητικότητα.
Ένα ακόμη θέμα είναι ότι οι μπαταρίες λιθίου στηρίζονται σε σχετικά σπάνια ή ακριβά υλικά (λίθιο, κοβάλτιο ή νικέλιο στα ηλεκτρόδια, χαλκός, αλουμίνιο κτλ.), και η παραγωγή τους έχει οικολογικό και γεωπολιτικό αντίκτυπο. Τα τούβλα από την άλλη είναι φτιαγμένα από ποικίλα υλικά (άργιλο, οξείδια μετάλλων) και το πολυμερές PEDOT βασίζεται σε άνθρακα. Άρα, δυνητικά, η μαζική υιοθέτηση τους ίσως μειώσει την εξάρτηση από ορυκτά για μπαταρίες.
Σύγκριση με τους υπερπυκνωτές – ταχύτητα έναντι ενέργειας
Οι υπερπυκνωτές είναι μια ξεχωριστή κατηγορία αποθήκευσης που ήδη χρησιμοποιείται σε ορισμένες εφαρμογές – συνήθως όπου χρειάζονται πολύ γρήγορες φορτίσεις/εκφορτίσεις και πολλοί κύκλοι. Για παράδειγμα, σε ορισμένα υβριδικά λεωφορεία ή σε συστήματα ανάκτησης ενέργειας πέδησης (φρεναρίσματος) χρησιμοποιούνται υπερπυκνωτές για να αποθηκεύουν και να δίνουν πίσω ενέργεια μέσα σε δευτερόλεπτα. Οι υπερπυκνωτές έχουν τεράστια ισχύ εξόδου και μπορούν να φορτίσουν/εκφορτίσουν σχεδόν στιγμιαία, αλλά το μειονέκτημά τους είναι – παρόμοια με ό,τι είδαμε στα τούβλα – η πολύ μικρότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με τις μπαταρίες. Τυπικά, ένας κλασικός υπερπυκνωτής διπλής στοιβάδας (EDLC) έχει ενεργειακή πυκνότητα μόνο 5-10 Wh/kg, δηλαδή κλάσμα μόλις 5-10% μιας μπαταρίας λιθίου. Αυτό ακριβώς αντικατοπτρίζεται και στην περίπτωση των ενεργειακών τούβλων (που στην ουσία είναι υπερπυκνωτές με ηλεκτρόδια από τούβλο/PEDOT): αποθηκεύουν λίγη ενέργεια, αλλά μπορούν να την παρέχουν γρήγορα.
Τα τούβλα-υπερπυκνωτές, λοιπόν, δεν προσφέρουν κάποια πρωτοφανή απόδοση σε σχέση με άλλους υπερπυκνωτές – μάλιστα οι κλασικοί εμπορικοί υπερπυκνωτές (με ηλεκτρόδια από ενεργό άνθρακα) ίσως επιτυγχάνουν και ελαφρώς υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τα τούβλα PEDOT. Η καινοτομία έγκειται περισσότερο στη μορφή και στη χρήση τους: το ότι ενσωματώνονται σε δομικό υλικό. Ένα πλεονέκτημα είναι πως σε αντίθεση με τους περισσότερους υπερπυκνωτές που είναι μικρές, ξεχωριστές συσκευές, εδώ μπορούμε να έχουμε υπερπυκνωτές πολύ μεγάλου μεγέθους απλώς φτιάχνοντας μεγαλύτερους τοίχους. Η δυνατότητα κλίμακας είναι μεγάλη: θεωρητικά, όλο το κέλυφος ενός κτηρίου θα μπορούσε να δρα ως μια ενιαία μονάδα υπερπυκνωτή, αποθηκεύοντας ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές και προσφέροντάς την πίσω στο δίκτυο ή στο σπίτι όποτε χρειάζεται.
Επίσης, τα τούβλα αξιοποιούν το υπάρχον υλικό (σκουριά) για να συνθέσουν το ενεργό αγώγιμο υλικό (πολυμερές). Αντίθετα, οι παραδοσιακοί υπερπυκνωτές απαιτούν ειδικά κατασκευασμένα ηλεκτρόδια (π.χ. νανοπορώδη άνθρακα, γραφένιο κλπ) που παράγονται βιομηχανικά. Εδώ έχουμε μια έξυπνη χημική αξιοποίηση ενός απορρίμματος (σκουριάς) για να φτιαχτεί επιτόπου το ενεργό υλικό. Αυτό το καθιστά ενδιαφέρον για βιώσιμες κατασκευές, όμως απομένει να αποδειχθεί αν μπορεί να φτάσει την απόδοση των καλύτερων υπερπυκνωτών της αγοράς.
Τέλος, όσον αφορά τη διάρκεια ζωής, οι υπερπυκνωτές γενικά υπερτερούν των μπαταριών – διαρκούν 10-20 χρόνια ή εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους. Τα «έξυπνα τούβλα» αναμένονται επίσης να έχουν παρόμοια καλή διάρκεια (όπως έδειξαν και οι 10.000 κύκλοι χωρίς απώλεια). Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να συνδυαστούν ιδανικά με μπαταρίες: ο υπερπυκνωτής (τούβλα) να αναλαμβάνει τα «βαριά καθήκοντα» των συχνών φορτίσεων/εκφορτίσεων και των στιγμιαίων αιχμών, ενώ η μπαταρία λιθίου να κάνει τη μακροχρόνια αποθήκευση. Έτσι, ο κάθε τύπος συσκευής λειτουργεί εκεί που αποδίδει καλύτερα, επεκτείνοντας και τη ζωή της μπαταρίας (λιγότερη καταπόνηση από αιφνίδια φορτία).
Μπαταρίες στερεάς κατάστασης: Το μέλλον των μπαταριών
Μια άλλη τεχνολογία που αναπτύσσεται ραγδαία και συχνά αναφέρεται ως το μέλλον στις μπαταρίες είναι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Πρόκειται ουσιαστικά για μια εξελιγμένη μορφή μπαταριών ιόντων λιθίου, όπου όμως ο υγρός ηλεκτρολύτης έχει αντικατασταθεί από ένα στερεό υλικό (π.χ. ένα κεραμικό, γυαλί ή στερεό πολυμερές). Αυτή η αλλαγή φέρνει πολλαπλά οφέλη: οι στερεοί ηλεκτρολύτες δεν είναι εύφλεκτοι, άρα οι μπαταρίες γίνονται πολύ πιο ασφαλείς (δεν κινδυνεύουν να πάρουν φωτιά). Επίσης, αντέχουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και επιτρέπουν να χρησιμοποιηθεί καθαρό μεταλλικό λίθιο ως άνοδος, ανεβάζοντας έτσι τη θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα. Πράγματι, τα πρωτότυπα στερεών μπαταριών εμφανίζουν δυνατότητα να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια σε μικρότερο όγκο/βάρος σε σχέση με τις συμβατικές μπαταρίες, ενώ μπορούν και να φορτίζουν πολύ πιο γρήγορα – σε μερικά λεπτά, ακόμη και έως 80% σε 12 ή και 3 λεπτά, σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες . Επιπλέον, λόγω της χημικής σταθερότητας των στερεών υλικών, οι μπαταρίες αυτές φαίνεται πως διαρκούν πολύ περισσότερο: εκτιμήσεις κάνουν λόγο για λειτουργική ζωή 15-20 χρόνων (σε χρήση σε όχημα) προτού αρχίσει η αξιοσημείωτη υποβάθμιση, έναντι ~5-8 ετών για μια τυπική μπαταρία λιθίου σήμερα .
Πώς συγκρίνονται, όμως, όλα αυτά με τα «τούβλα-μπαταρίες»; Θα πρέπει να διευκρινίσουμε ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι μια ανταγωνιστική τεχνολογία στις μπαταρίες λιθίου, δηλαδή στο ίδιο πεδίο με αυτές – στοχεύουν να αντικαταστήσουν τις συμβατικές μπαταρίες σε συσκευές και οχήματα, προσφέροντας μεγαλύτερη αυτονομία, ταχύτερη φόρτιση και ασφάλεια. Δεν ανταγωνίζονται άμεσα τους υπερπυκνωτές, μιας και έχουν διαφορετικό ρόλο (οι μεν για μεγάλη ενεργειακή αποθήκευση, οι δε για γρήγορη παροχή ισχύος).
Σε σχέση με τα τούβλα, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι πολύ πιο πυκνές σε ενέργεια (θα έχουν πιθανώς ακόμα μεγαλύτερη πυκνότητα και από τις σημερινές μπαταρίες λιθίου). Όμως, φυσικά, πρόκειται για περίπλοκες, υψηλής τεχνολογίας συσκευές, που απαιτούν προηγμένα υλικά (κρυσταλλικούς ηλεκτρολύτες, λεπτές μεμβράνες, κλπ) και εξελιγμένη βιομηχανική παραγωγή. Βρίσκονται ακόμη κυρίως σε στάδιο ερευνών και πιλοτικών εργοστασίων – δηλαδή δεν έχουν μπει ακόμα μαζικά στην αγορά, λόγω προκλήσεων στην κατασκευή και κόστους. Καμία σχέση λοιπόν με την απλότητα ενός τούβλου. Τα «έξυπνα τούβλα» απευθύνονται σε μια διαφορετική φιλοσοφία: χαμηλή τεχνολογία, χαμηλό κόστος, εύκολη ενσωμάτωση παντού, αλλά με θυσία στην απόδοση.
Θα μπορούσαμε να πούμε ότι αν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι ο «πολυτελής διάδοχος» των μπαταριών λιθίου για ηλεκτρικά αυτοκίνητα και συσκευές, τα ενεργειακά τούβλα είναι μια εναλλακτική συμπληρωματική λύση για αποθήκευση ενέργειας, διάχυτη στο περιβάλλον μας. Ίσως στο μέλλον ένα σπίτι να έχει τόσο μια προηγμένη μπαταρία (στερεάς κατάστασης) στο υπόγειο για να αποθηκεύει μεγάλα ποσά ρεύματος όσο και τους τοίχους του εξοπλισμένους με ενεργειακά τούβλα που θα λειτουργούν ως υποστηρικτικό σύστημα: θα φορτίζονται και θα εκφορτίζονται γρήγορα για να εξισορροπούν τις ανάγκες, θα παρέχουν ρεύμα σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης και θα βελτιώνουν συνολικά την ενεργειακή απόδοση του κτηρίου.
