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09/24/2020

Der Ziegel als Stromspeicher

Er ist billig und gehört zu den ältesten Baumaterialien der Welt. Doch der rote Backstein kann auch Strom speichern, wie Wissenschaftler nun bewiesen haben. Taugt der Ziegel-Akku für die Klimawende?

Großstädte kämpfen zunehmend mit den Auswirkungen des Klimawandels. Das globale Phänomen der Hitzeinseln ruft neue Strategien der Stadtentwicklung auf den Plan, um den urbanen Lebensraum zu kühlen. Als Verursacher der städtischen Überhitze gelten große versiegelte Flächen und Materialien wie Beton und Ziegel. Vor allem der rote Backstein gilt seit jeher als guter Wärmespeicher. Jetzt haben Wissenschaftler den Beweis geliefert, dass der traditionelle Baustoff nicht nur Wärme, sondern auch Strom speichern kann. Damit ist der Ziegel-Akku neuer Hoffnungsträger für die Energiewende.

Backstein als Ionen-Schwamm

Forscher der Washington University in St. Louis, Missouri, haben im örtlichen Baumarkt Ziegelsteine für 65 Cent pro Stück gekauft, beschreibt Studienautor und Chemiker Julio D’Arcy das kostengünstige Ausgangsmaterial. Mithilfe eines speziellen Verfahrens ist es seinem Team gelungen, einfache Ziegel in intelligente Steine zu verwandeln.

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Dazu haben sie die Backsteine mit leitfähigen Nanofasern aus Kunststoff (PEDOT) beschichtet. Diese Beschichtung durchdringt die Poren der Backsteine und dient als Ionen-Schwamm, der in der Lage ist, elektrische Energie zu speichern und abzugeben.

Die Forscher tränkten die Ziegel zunächst in einer Flüssigkeit, die den leitfähigen Kunststoff enthielt. Ausschlaggebend für das Triggern der Polymerisation ist das rote Pigment im Ziegel – auch als Eisenoxid oder Rost bekannt. Dieser Stoff wirkte als Katalysator, der dafür sorgte, dass sich die Bestandteile der Flüssigkeit zu einem festen Kunststoff zusammenschlossen.

Ziegel betreibt grünes LED-Licht

Als Veranschaulichung ihrer Studie zeigten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ eine Versuchsanordnung mit drei Steinen in der Größe von Zuckerwürfeln. Nach 15 Sekunden waren sie voll geladen und konnten ein grünes LED-Licht 11 Minuten lang mit Strom versorgen, bevor die Spannung von 2,7 auf 2,5 Volt sank.

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Ganze Wände dieser stromspeichernden Ziegel könnten als sogenannte Superkondensatoren fungieren und eine beträchtliche Menge an Energie speichern, sind die Chemiker überzeugt. Ihren Berechnungen zufolge könnte eine 18 Quadratmeter große Wand eine Energiemenge von 20 Kilowattstunden verfügbar machen.

Ziegelmauer als Stromspeicher

„PEDOT-beschichtete Ziegel sind ideale Bausteine, die beispielsweise die Notbeleuchtung eines Gebäudes sicherstellen können“, erklärt D’Arcy. 50 Ziegel würden ausreichen, um den Strombedarf fünf Stunden lang zu decken, so die Studie. Entsprechend größere Tests sind allerdings noch ausständig.

Im Idealfall kann eine Ziegelmauer in Funktion eines Superkondensators hunderttausende Male pro Stunde wiederaufgeladen werden.

Julio D’Arcy, Forscher an der Washington University in St. Louis, Missouri

„Im Idealfall kann eine Ziegelmauer in Funktion eines Superkondensators hunderttausende Male pro Stunde wiederaufgeladen werden“, führt der Chemiker die künftigen Einsatzmöglichkeiten der Entdeckung aus. „Das Zusammenschließen von ein paar wenigen Ziegeln würde ausreichen, um Mikroelektroniksensoren zu betreiben.“

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Mit Superkondensatoren zur Klimawende?

Eine neue Form der Energiespeicherung ist einer der Schlüssel zur Klimawende und Gegenstand zahlreicher Forschungen. Ein ungelöstes Problem grüner Stromquellen wie Photovoltaik und Windkraft sind die fehlenden oder unökologischen Stromspeicher. Auch die Ökobilanz von Elektroautos steht immer wieder in der Kritik, vor allem aufgrund der ungelösten Akku-Entsorgung. Das Recyceln von Lithium-Ionen-Akkus ist aufwändig und teuer, zudem ist die Herstellung der Batterien mit einem großen CO₂-Ausstoß verbunden.

Eine erfolgreiche Kapazitätssteigerung wäre der Beginn einer neuen Ära, und die Lithium-Ionen-Batterie hätte ein für allemal ausgedient.

Julio D’Arcy, Forscher an der Washington University in St. Louis, Missouri

Nach derzeitigem Stand der Forschung bieten Superkondensatoren allerdings noch keine markttaugliche Alternative. Sie haben zwar eine wesentlich längere Lebensdauer und eine deutlich kürzere Ladezeit, erreichen aber nur zehn Prozent der Energiedichte von herkömmlichen Akkus. „Wir haben den Denkanstoß für eine Alternative geliefert, sind aber noch nicht ganz am Ziel angelangt“, so der Wissenschaftler.

Sollte es gelingen, die Speicherkapazität der Ziegel-Akkus zu erhöhen, könnten sie eine kostengünstige und nachhaltige Alternative werden, bekräftigt D’Arcy. „Eine erfolgreiche Kapazitätssteigerung wäre der Beginn einer neuen Ära, und die Lithium-Ionen-Batterie hätte ein für allemal ausgedient.“

Text: Gertraud Gerst Foto: Getty Images, D’Arcy Research Laboratory

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