Ein zwanzigstöckiges Gebäude aus Beton, das Energie wie eine riesige Batterie speichert – diese Vision könnte eines Tages Realität werden. Forscher des Fachbereichs Architektur und Bauingenieurwesen an der Chalmers University of Technology in Schweden haben kürzlich einen Artikel veröffentlicht, der ein neues Konzept für wiederaufladbare Batterien skizziert – hergestellt aus Zement.
Der immer größer werdende Bedarf an nachhaltigen Baumaterialien stellt die Forschung vor große Herausforderungen. Dr. Emma Zhang (ehemals Chalmers University of Technology, Schweden) schloss sich deshalb vor einigen Jahren der Forschungsgruppe von Professor Luping Tang an, um nach den Baumaterialien der Zukunft zu suchen. Gemeinsam ist es ihnen nun gelungen, ein Konzept für eine wiederaufladbare Batterie auf Zementbasis zu entwickeln – eine Weltneuheit.
Innovative Verbindungstechnik für Carbonbeton-Fassadenplatten
Betonbatterie mit hoher Energiedichte
Das Konzept sieht zunächst eine Mischung auf Zementbasis vor, der geringe Mengen kurzer Kohlenstoff-Fasern zugesetzt werden, um die Leitfähigkeit und Biegefestigkeit zu erhöhen. Dann wird in die Mischung ein metallbeschichtetes Kohlenstoff-Fasernetz eingebettet – Eisen für die Anode und Nickel für die Kathode. Nach vielen Experimenten ist dies der Prototyp, den die Forscher nun vorstellen.
„Die Ergebnisse früherer Studien, die die Betonbatterie-Technologie untersuchten, zeigten eine sehr geringe Leistung, also wurde uns klar, dass wir über den Tellerrand hinausschauen mussten, um einen anderen Weg zur Herstellung der Elektrode zu finden“, erklärt Emma Zhang „Diese spezielle Idee, die wir entwickelt haben – eine Betonbatterie, die auch wiederaufladbar ist – wurde noch nie zuvor erforscht. Jetzt haben wir den Nachweis des Konzepts im Labormaßstab erbracht.“
Die Forschung von Luping Tang und Emma Zhang hat eine wiederaufladbare Batterie auf Zementbasis mit einer durchschnittlichen Energiedichte von 7 Wattstunden pro Quadratmeter (oder 0,8 Wattstunden pro Liter) hervorgebracht. Die Energiedichte wird verwendet, um die Kapazität einer Batterie auszudrücken – und eine bescheidene Schätzung besagt, dass die Leistung der neuen Chalmers-Batterie mehr als zehnmal so hoch sein könnte wie bei früheren Versuchen mit Betonbatterien. Die Energiedichte ist im Vergleich zu kommerziellen Batterien immer noch gering, aber diese Einschränkung könnte dank des großen Volumens, in dem die Batterie bei Verwendung in Gebäuden gebaut werden könnte, überwunden werden.
Vielfältige Nutzungsmöglichkeiten
Die Tatsache, dass die Batterie wiederaufladbar ist, ist ihre wichtigste Eigenschaft – und die Nutzungsmöglichkeiten im Falle einer Weiterentwicklung und Kommerzialisierung sind vielfältig. Die Forscher sehen Anwendungen, die von der Stromversorgung von LEDs über die Bereitstellung von 4G-Verbindungen in abgelegenen Gebieten bis hin zum kathodischen Schutz gegen Korrosion in Betoninfrastruktur reichen könnten. „Die Batterie könnte auch mit Solarzellen-Paneelen gekoppelt werden, um beispielsweise Strom zu liefern und die Energiequelle für Überwachungssysteme in Autobahnen oder Brücken zu werden, wo Sensoren, die von einer Betonbatterie betrieben werden, Risse oder Korrosion erkennen könnten“, so Emma Zhang.
Die Idee, Infrastruktur und Gebäude als großvolumige Energiespeicher zu nutzen, könnte eine revolutionäre Lösung für die Energiekrise sein. Beton, der durch das Mischen von Zement mit anderen Zutaten entsteht, ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial. Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit ist er alles andere als ideal, aber das Potenzial, ihm Funktionalität hinzuzufügen, könnte ganz neue Dimensionen eröffnen.
„Unsere Vision ist, dass in Zukunft ganze Abschnitte von mehrstöckigen Gebäuden aus dieser Art funktionalem Beton bestehen“, so Emma Zhang. „Wenn man bedenkt, dass in jede beliebige Betonoberfläche eine Schicht dieser Elektrode eingebettet werden könnte, sprechen wir über enorme Mengen an Funktionsbeton.“
Herausforderung Lebensdauer
Die Idee befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium. Zu den technischen Fragen, die noch gelöst werden müssen, bevor die Technik kommerziell genutzt werden kann, gehören die Verlängerung der Lebensdauer der Batterie und die Entwicklung von Recycling-Techniken.
„Da Betoninfrastrukturen in der Regel für eine Lebensdauer von fünfzig oder gar hundert Jahren gebaut werden, müssten die Batterien so weiterentwickelt werden, dass sie sich nach Ablauf der Lebensdauer leichter austauschen und recyceln lassen. Das ist im Moment noch eine große Herausforderung aus technischer Sicht“, sagt Emma Zhang.
Doch die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Innovation viel zu bieten hat. „Wir sind davon überzeugt, dass dieses Konzept einen großen Beitrag dazu leisten kann, dass zukünftige Baumaterialien zusätzliche Funktionen übernehmen – beispielsweise als erneuerbare Energiequelle“, sagt Luping Tang.
