Energie
Duurzaam wonen

Slimme bakstenen slaan energie op in muren 

Wetenschappers ontwikkelen bakstenen die werken als een batterij. Zo kun je je groen opgewekte stroom in je muur opslaan!
09-06-2021 - door Birger
Brick battery

Drie slimme bakstenen kunnen een LED-lampje tien minuten laten branden. | Foto: D'Arcy Lab

Huizen bouwen doen we al honderden jaren met bakstenen, van middeleeuwse Amsterdamse grachtenpanden tot moderne appartementen. Een groep Amerikaanse scheikundigen is het gelukt om bakstenen te maken die energie kunnen opslaan. Zo kan je straks de energie van je zonnepanelen gewoon in je muur opslaan, aldus de wetenschappers.

Hun bevindingen zijn recent gepubliceerd in wetenschapstijdschrift Nature. Volgens de berekeningen slaat een muurtje van 50 van deze slimme bakstenen genoeg stroom op om een noodverlichting vijf uur te laten branden. Experts zeggen dat de doorbraak veelbelovend is, maar dat het nog wel een tijdje zal duren voordat deze slimme stenen commercieel verkrijgbaar zullen zijn. Zo slaan ze nog te weinig energie op om huishoudelijke apparaten van stroom te voorzien. Toch schatten de bedenkers dat we al over vijf jaar onze elektrische apparaten letterlijk kunnen opladen met duurzame energie uit de muur!

De stijgende vraag naar batterijen

Voor een duurzame toekomst op onze planeet is de veelbesproken ‘energietransitie’ essentieel. Deze transitie betekend dat we moeten afstappen van stroom uit fossiele brandstoffen, zoals steenkolen, en onze energie volledig moeten naar opwekken met duurzame bronnen, zoals wind- en zonne-energie. Maar we hebben ook enorm veel batterijen nodig om al deze elektriciteit op te slaan. We hebben immers ook stroom nodig als de zon niet schijnt of de wind niet waait.

Veel oplaadbare batterijen zijn nu nog gemaakt van lithium-ion. Dit type accu laadt snel op, gaat lang mee en heeft een hoge energiedichtheid. Het resultaat: een lichte batterij met een lange gebruiksduur.

Maar, zoals wij eerder al schreven, is er een groot probleem met de winning van lithium: het verwoest de natuur en leefomgeving van de lokale bevolking. Daarnaast zorgt de huidige schaarste ervoor dat de prijs van "het witte goud" enorm is gestegen, waardoor ze te duur blijven voor grootschalige energie-opslag.

In de afgelopen jaren is er daarom veel onderzoek gedaan naar alternatieve manieren om groene energie op te slaan, van zoutbatterijen uit zeewater tot accu's uit basalt.

Nu blijkt dat er nóg een materiaal geschikt is voor energieopslag: bakstenen.

Leestip: Hoe (on)duurzaam zijn batterijen?

Om alle duurzame energie op te slaan, hebben we steeds meer batterijen nodig. | Foto: John Cameron

"Techniek werkt met gewone stenen"

Bakstenen zijn een geliefd bouwmateriaal omdat ze goedkoop zijn, goed isoleren, amper krimpen en veel sterker zijn dan andere materialen, zoals hout. Binnenkort heeft 's werelds meest gebruikte bouwmateriaal nog een voordeel: het kan energie opslaan.

Een groep onderzoekers aan de Washington Universiteit in St. Louis, de Verenigde Staten, heeft een speciale coating ontwikkeld die iedere baksteen kan omtoveren tot batterij. De enige voorwaarde is dat de steen veel hematiet bevat, het roestpigment dat klinkers een rode kleur geeft.

"Onze methode werkt met gewone stenen of gerecyclede stenen, en we kunnen ook onze eigen stenen maken", aldus Julio D'Arcy, assistent-professor scheikunde, in een persbericht. “Het onderzoek dat we hebben gepubliceerd in Nature Communications is gedaan met bakstenen die we kochten bij Home Depot, een bouwmarkt, hier in Brentwood (Missouri). Elke steen kostte 65 cent."

Gewone bakstenen uit de bouwmarkt kunnen worden omgetoverd tot batterij. | Foto: HalGatewood via Unsplash

Zo maak je van baksteen een batterij

De gepatenteerde techniek maakt gebruik van de poreuze structuur van de baksteen. Poreus wil zeggen dat er kleine luchtbellen in de steen zitten. Dit maakt bakstenen licht van gewicht en warmte-isolerend.

De methode werkt als volgt:

  1. De stenen worden eerst ondergedompeld in een damp van zoutzuur en vervolgens gebakken in een oven op 160 graden Celsius.
  2. Als de gassen door de kleine gaatjes eenmaal binnen zijn, reageren ze met het roestpigment hematiet. Deze chemische reactie creëert een coating, een deklaag, van een polymeer genaamd PEDOT, een geleidend soort plastic. Het polymeer dat in de baksteen gevangen blijft zit zo in elkaar dat het vrij eenvoudig ionen, hele kleine elektrisch geladen deeltjes, aan zich bindt.
  3. De buitenkant wordt vervolgens bedekt met epoxy, een harde en taaie chemische hars, om de de baksteen waterdicht te maken.
  4. Als twee bakstenen aan elkaar worden gekoppeld, dan dient de ene als een positieve pool en de andere als een negative pool.
  5. Het resultaat: een donkerblauwe baksteen die werkt als halfgeleider, een materiaal dat stroom van punt A naar punt B kan voeren maar niet uit zichzelf energie opwekt. Een soort batterij dus.

Technisch gezien vormen de bakstenen een supercondensator, die op een paar belangrijke punten verschillen van batterijen. Zo kunnen supercondensatoren heel snel (ont)laden en goed grote hoeveelheden energie opslaan, maar deze elektriciteit kunnen ze niet lang vasthouden, zoals batterijen dat wel kunnen.

D'Arcy legt het met een voorbeeld het verschil uit: "Een batterij geeft je een energiedichtheid waarmee je 500 mijl (800 kilometer) kunt rijden, maar met een supercondensator kun je heel snel accelereren bij een rood licht maar een stuk minder ver rijden".

Een baksteen voor en na de toevoeging van de PEDOT-laag. Onder een elektronenmicroscoop worden de verschillende nanostructeren goed zichtbaar (rechts). | Foto: Wang et al. (2020)

Hoe duurzaam zijn de baksteenbatterijen?

Je kunt je natuurlijk afvragen hoe duurzaam de uitvinding van het team onderzoekers is. Uiteindelijk ben je toch bezig met zoutzuur om een stroomgeleidend plastic te maken. En kun je de bakstenen eigenlijk nog wel recyclen als er plastic om en in zit?

"Ja, je kunt het recyclen," aldus D'Arcy in een podcast. "We hebben onze supercondensator 10.000 keer opgeladen. En daaruit bleek dat je een hele muur slechts één keer per dag hoeft op te laden. Op basis van onze berekeningen zou het daarom pas 30 jaar duren voordat de slimme stenen in de muur aan vervanging toe zijn. En we zijn ervan overtuigd dat we na die 30 jaar het polymeer van de baksteen kunnen scheiden en recyclen."

De nieuwe toepassing van D'Arcy voor bakstenen valt onder een nieuwe trend binnen scheikunde, genaamd groene of duurzame chemie. Daarbij halen scheikundigen inspiratie uit de natuur en proberen ze materialen te vinden die over het algemeen worden beschouwd als afval of restproduct, zoals ijzercorrosie.

Hoeveel stroom leveren slimme bakstenen op?

De grote vraag is natuurlijk of deze nieuwe batterijen daadwerkelijk een goed alternatief vormen voor gewone accu's.

Het team onderzoekers is het nu gelukt om met drie kleine steentjes een groen LED-lampje tien minuten lang op één lading van stroom te voorzien. De elektriciteit werd geleverd door een zonnepaneel, om een werkelijke situatie na te bootsen. De slimme bakstenen zullen in de toekomst immers voornamelijk voor de bouw van huizen worden gebruikt, wat zonnepanelen de ideale duurzame energiebron maakt. Zo kun je de stroom van je eigen zonnepanelen in je muur opslaan!

Volgens berekeningen zou de voorgestelde methode aanzienlijke hoeveelheden energie kunnen opslaan. Ze schatten dat een muurtje van 50 klinkers binnen dertien minuten volledig kan worden opgeladen en genoeg energie levert om de noodverlichting van een gebouw minimaal vijf uur lang van stroom te voorzien.

Zonnepanelen op je dak en bakstenen die de opgewekte energie opslaan. Dat is nog eens duurzaam wonen. | Foto: Vivint Solar via Pexels

Je toekomstige huis als oplader

Hoewel het 'proof of concept' is geslaagd, zal het nog even duren voordat je van je huis een oplader kunt maken. Zo is de energiedichtheid van de baksteenbatterij slechts één procent van die van lithium-ionbatterijen. Hierdoor is het nog niet mogelijk is om huishoudelijke apparaten, zoals een koffiemachine, de hele dag van elektriciteit te voorzien.

Toch is D'Arcy enthousiast over de toekomst. In de podcast vertelde hij dat het team al hard aan op weg is om de energieopslag met een factor tien te vergroten. Zo denkt de scheikundige dat er nog veel winst te behalen valt als hijzelf bakstenen gaat produceren en gebruiken, in plaats van klinkers uit de bouwmarkt.

Voor de verdere ontwikkeling en financiering van het project heeft het team al verschillende commerciële partners aangetrokken. Grootschalig commercieel gebruik van slimme stenen duurt nog zo'n vijf jaar, aldus D’Arcy.

Wat denk jij? Laden we onze elektrische apparaten over een paar jaar werkelijk op uit de muren van ons huis, in plaats van een stopcontact?

Meer duurzaam energienieuws

Profile picture for user Birger IJsenbrand
Birger
Auteur
Na zijn stage bleef Birger betrokken bij Voor de Wereld van Morgen als vaste redacteur. Naast zijn studie monetaire economie, schrijft hij artikelen over duurzame ondernemingen, geldzaken en het klimaat met praktische tips voor een groenere lifestyle.