Cannabisplanten kan drive buss og trikk

Energilagring med naturfiber i superkondensator.

Publisert
Stengel av hamp med fibre. (Foto: Wikimedia Commons)
Stengel av hamp med fibre. (Foto: Wikimedia Commons)

Nei, det er ikke snakk om å fyre opp en tjall i førersetet. Heller ikke er det en fantasi hentet ut av ruståka.

En gruppe forskere i Canada har nemlig funnet ut at fibre fra planten hamp (Cannabis sativa) kan brukes til å lagre elektrisk energi.

Fibre fra hamp brukes blant annet i tekstiler, papir og bygningsmaterialer. Fibrene i stilken er enda sterkere enn trefibre, og raskere å dyrke.

Bioavfall blir superkondensator

Forskerne brukte ikke fibre fra stilken. De brukte bastfibre fra innsiden av barken. Disse fibrene brukes ikke av den voksende hampindustrien i Canada, men det biologiske avfallet egner seg godt som elektroder i det som kalles superkondensatorer.

Superkondensatorer er forskjellige fra elektriske batterier. De lagrer mye mindre energi. Superkondensatorer kan altså ikke erstatte batterier i biler som skal kjøre mil etter mil.

Til gjengjeld har de andre fordeler: De inneholder ikke giftige tungmetaller. De har mye lengre total levetid enn batterier. De spruter ut mye strøm på kort tid og – kanskje viktigst – kan lades helt opp i løpet av sekunder.  Derfor egner de seg godt blant annet for kollektivtransport i byer.

Her kjører jo bussene og trikkene korte strekninger fra holdeplass til holdeplass. På holdeplassen kan superkondensatoren lades opp i løpet av sekunder. Så leverer den strøm nok til neste stopp.

Sparer strømledninger

Dermed trengs ikke strømledninger mellom stoppestedene. I den tyske byen Heidelberg kjører slike trikker uten luftledninger i den gamle bydelen, der det er viktig å bevare det gamle bybildet.

I Paris kjører en av trikkerutene delvis uten luftledninger, drevet av superkondensatorer. De lades ved oppbremsing, og sparer dermed også strøm.

Trikkene som trafikkerer linjen T3 i Paris har superkondensatorer, og kan derfor kjøre deler av strekningen uten luftledninger. (Foto: Gérard Delafond, Wikimedia Commons)
Trikkene som trafikkerer linjen T3 i Paris har superkondensatorer, og kan derfor kjøre deler av strekningen uten luftledninger. (Foto: Gérard Delafond, Wikimedia Commons)

I Kina skal nye trikker kunne kjøre opptil fire kilometer, bare drevet av superkondensatorer som lades i løpet av 30 sekunder.

Svelger bremsestrøm

Bilfabrikanten Mazda bruker også superkondensatorer for å svelge unna de kortvarige, raske strømtoppene som regenerative bremser lager. Slike bremser omgjør bevegelsesenergien til elektrisk strøm.

Vanlige batterier vil ikke kunne nyttegjøre seg slike strømtopper like godt, ifølge en nettside fra bilprodusenten.

Elverktøy og strømglatting

Superkondensatorer kan også gjøre nytte for seg i elektriske verktøy, kamerablitzer og for å ta toppene og bunnene av ujevn strømforsyning til datautstyr og annen følsom elektronikk.

Enkelt forklart virker en kondensator ved at to elektroder lades motsatt, pluss og minus.

Motsatte ladninger tiltrekker hverandre. Denne tiltrekningen mellom elektrodene holder på ladningen. Slik lagrer kondensatoren strøm.

Forkullet hamp

I en vanlig kondensator er elektrodene store plater. I en superkondensator er denne flaten mye større, fordi mange små fibre sitter tett i tett. Dermed kan superkondensatoren holde på mye større elektrisk ladning.

Til venstre: Forenklet skisse av vanlig kondensator. Pluss og minusladninger på hver sin plate tiltrekkes av hverandre, og kondensatoren holder dermed på ladningen. Den kan lades opp eller ut gjennom ledningen (gul). 
Til høyre: I en superkondensator er platene erstattet med mikroskopiske flak av karbon. Disse flakene har enormt mye større overflate, og kan derfor holde på mye større mengde ladninger enn en vanlig kondensator. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no (t.v), Wikimedia Commons (t.h)))
Til venstre: Forenklet skisse av vanlig kondensator. Pluss og minusladninger på hver sin plate tiltrekkes av hverandre, og kondensatoren holder dermed på ladningen. Den kan lades opp eller ut gjennom ledningen (gul). Til høyre: I en superkondensator er platene erstattet med mikroskopiske flak av karbon. Disse flakene har enormt mye større overflate, og kan derfor holde på mye større mengde ladninger enn en vanlig kondensator. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no (t.v), Wikimedia Commons (t.h)))

De kandiske forskerne har ikke stappet hampfibrene direkte inn i superkondensatoren. Først varmet de opp fibrene til rundt 180 grader Celsius i ett døgn. Dermed forkullet fibrene til små flak av karbon.

Kullflakene av hamp kan erstatte grafén, som også er flak av karbon, bare ett lag atomer tykke. Grafén er mye dyrere å framstille, og hampelektrodene har like gode egenskaper.

Dette ifølge en nyhetsmelding fra American Chemical Society, som arrangerer møtet der resultatene nå presenteres, etter først å ha vært publisert i organisasjonens tidsskrift i mai 2013.

Bra prestasjoner

Superkondensatoren av hamp hadde god evne til å lagre strøm over et stort temperaturområde, fra frysepunktet til i underkant av 100 grader Celsius.

12 wattimer energi per kilo superkondensator kunne lagres. Dette er to til tre ganger bedre enn superkondensatorer som er i salg nå, ifølge nyhetsmeldingen.

Martin Kirkengen. (Foto: Instiitutt for energiteknikk, IFE)
Martin Kirkengen. (Foto: Instiitutt for energiteknikk, IFE)

12 wattimer per kilo er bra for en superkondensator, bekrefter Martin Kirkengen. Han er avdelingssjef ved laboratoriet for batterimaterialer på Institutt for energiteknikk.

Ikke så stor prisgevinst

Kirkengen stiller også spørsmål ved levetiden til denne superkondensatoren, og hvor lenge den klarer å holde på strømladningen. Alle kondensatorer lades nemlig ut av seg selv over tid.

Både levetid og data for utladning er på linje med andre superkondensatorer, ifølge en epost forskning.no har fått fra David Mitlin, hovedforfatter bak studien.

Kirkengen påpeker også at prisen på grafén kan komme til å synke ganske fort. Dermed kan fordelen ved å bruke hampfibre bli mindre.

- Det at grafénet kan erstattes med et billigere materiale påvirker heller ikke prisen på de andre elementene i superkondensatoren, metallkontakter, innpakking, elektrolytt med mere.

- Dermed vil det antagelig maksimalt føre til en nedjustering av prisen med 10-20 prosent sammenlignet med en grafénbasert versjon, om vi ser på fullskala produksjon om noen år, skriver Kirkengen i en epost til forskning.no.

Mitlin på sin side hevder at hampmaterialet er rundt tusen ganger billigere enn grafén, og at elektrodene svarer for rundt to tredjedeler av den totale prisen for en superkondensator.

Utvikles industrielt

Likevel kan det være en fordel at de hampbaserte elektrodene gir en raskere reduksjon av prisen, mener han.

Et kanadisk firma arbeider nå med å skalere opp produksjonen av superkondensatorene med forkullede hampfibre, ifølge nyhetsmeldingen fra American Chemical Society.

- Det er alltid moro med folk som klarer å utnytte en struktur naturen har laget for oss, og ta den inn i en teknisk applikasjon, skriver Kirkengen.

Pistasjnøtter kan også brukes

Men hamp er ikke det eneste råstoffet som duger. Også skallene til pistasjnøtter kan brukes til å lage små karbonflak for superkondensatorer, ifølge en rapport publisert av tidsskriftet Nature fra juli 2014.

Også fruktkjerner, løv, strå og andre plantedeler med cellulose kan gjøre nytten og få nytt liv som elektroder i superkondensatorer, ifølge de kinesiske forskerne bak rapporten.

Artikkelen er endret 21.8.2014, med innspill fra David Mitlin, hovedforfatter bak den første refererte studien.

Referanse:

Huanlei Wang mfl: Interconnected Carbon Nanosheets Derived from Hemp for Ultrafast Supercapacitors with High Energy, ACS Nano, 7. Mai 2013, pp 5131-5141, doi 10.1021/nn400731g (Artikkelen finnes i pdf fulltekst her, publisert av nanographene.org)

Jiandong Xu mfl: Preparing two-dimensional microporous carbon from Pistachio nutshell with high areal capacitance as supercapacitor materials, Nature Scientific Reports 4, Article number: 5545, doi:10.1038/srep05545, publisert 2.7.2014

i-eloop Brake Regeneration System, informasjon på nettsidene til Mazda