Mejor que una batería: un supercondensador de cemento y carbono

Ingenieros del MIT crean un supercondensador que almacena energía a partir de materiales antiguos como el cemento, negro de humo y agua, que podría proporcionar un almacenamiento de energía barato y escalable

Dos de los materiales históricos más omnipresentes de la humanidad, el cemento y el negro de humo (que se asemeja al carbón vegetal muy fino), pueden constituir la base de un novedoso sistema de almacenamiento de energía de bajo coste, según un nuevo estudio. La tecnología podría facilitar el uso de fuentes de energía renovables, como la solar, la eólica y la mareomotriz, al permitir que las redes energéticas se mantengan estables a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable.

Los investigadores descubrieron que los dos materiales pueden combinarse con agua para fabricar un supercondensador, una alternativa a las baterías, que podría proporcionar almacenamiento de energía eléctrica. Por ejemplo, los investigadores del MIT que desarrollaron el sistema afirman que su supercondensador podría incorporarse a los cimientos de hormigón de una casa, donde almacenaría la energía de un día entero, con un coste mínimo (o nulo) para los cimientos y la resistencia estructural necesaria. Los investigadores también prevén una calzada de hormigón que podría recargar sin contacto los coches eléctricos que circulen por ella.

Esta tecnología sencilla pero innovadora se describe en un artículo de próxima publicación en la revista PNAS, en un trabajo de los profesores del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic y Yang-Shao Horn, y de otras cuatro personas del MIT y del Instituto Wyss.

En principio, los condensadores son dispositivos muy sencillos, formados por dos placas conductoras de la electricidad sumergidas en un electrolito y separadas por una membrana. Cuando se aplica un voltaje a través del condensador, los iones cargados positivamente del electrolito se acumulan en la placa cargada negativamente, mientras que la placa cargada positivamente acumula iones cargados negativamente. Dado que la membrana entre las placas impide que los iones cargados migren a través de ellas, esta separación de cargas crea un campo eléctrico entre las placas y el condensador se carga. Las dos placas pueden mantener este par de cargas durante mucho tiempo y entregarlas muy rápidamente cuando sea necesario. Los supercondensadores son simplemente condensadores que pueden almacenar cargas excepcionalmente grandes.

Cómo hacer un condensador compacto

La cantidad de energía que puede almacenar un condensador depende de la superficie total de sus placas conductoras. La clave de los nuevos supercondensadores desarrollados por este equipo radica en un método para producir un material a base de cemento con una superficie interna extremadamente alta gracias a una densa red interconectada de material conductor dentro de su volumen.

Los investigadores lo consiguieron introduciendo negro de humo, que es altamente conductor, en una mezcla de hormigón junto con cemento en polvo y agua, y dejándola curar. Al reaccionar con el cemento, el agua forma de forma natural una red ramificada de aberturas dentro de la estructura, y el carbono migra a estos espacios para formar estructuras en forma de alambre dentro del cemento endurecido.

Estas estructuras tienen una estructura fractal, con ramas más grandes de las que brotan ramas más pequeñas, y de éstas brotan ramificaciones aún más pequeñas, y así sucesivamente, hasta acabar con una superficie extremadamente grande dentro de los confines de un volumen relativamente pequeño. A continuación, el material se sumerge en un material electrolítico estándar, como el cloruro potásico, una especie de sal, que proporciona las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono. Los investigadores descubrieron que dos electrodos de este material, separados por un fino espacio o una capa aislante, forman un supercondensador muy potente.

Las dos placas del condensador funcionan como los dos polos de una batería recargable de voltaje equivalente: Cuando se conectan a una fuente de electricidad, como en el caso de una batería, la energía se almacena en las placas y, cuando se conectan a una carga, la corriente eléctrica vuelve a fluir para proporcionar energía.

«El material es fascinante», dice Masic, «porque tenemos el material más utilizado por el hombre en el mundo, el cemento, combinado con negro de humo, que es un material histórico bien conocido: los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él. Se trata de materiales de al menos dos milenios de antigüedad que, combinados de una forma específica, dan lugar a un nanocompuesto conductor, y ahí es donde las cosas se ponen realmente interesantes».

Las baterías actuales son demasiado caras y dependen sobre todo de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado

A medida que la mezcla fragua y se cura, dice, «el agua se consume sistemáticamente mediante reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación afecta fundamentalmente a las nanopartículas de carbono porque son hidrófobas (repelen el agua)».

A medida que la mezcla evoluciona, «el negro de humo se va autoensamblando hasta formar un hilo conductor conectado», afirma. El proceso es fácilmente reproducible, con materiales baratos y fáciles de conseguir en cualquier parte del mundo. Y la cantidad de carbono necesaria es muy pequeña -tan sólo un 3% en volumen de la mezcla- para conseguir una red de carbono percolado, afirma Masic.

Los supercondensadores fabricados con este material tienen un gran potencial para contribuir a la transición mundial hacia las energías renovables, afirma Ulm. Las principales fuentes de energía libre de emisiones, la eólica, la solar y la mareomotriz, producen su energía en momentos variables que a menudo no se corresponden con los picos de consumo eléctrico, por lo que es esencial encontrar formas de almacenar esa energía. «Las baterías actuales son demasiado caras y dependen sobre todo de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se necesitan alternativas más baratas. «Ahí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento es ubicuo», afirma Ulm.

El equipo calculó que un bloque de hormigón dopado con nanocarbono de 45 metros cúbicos (o yardas) de tamaño -equivalente a un cubo de unos 3,5 metros de diámetro- tendría capacidad suficiente para almacenar unos 10 kilovatios-hora de energía, lo que se considera el consumo medio diario de electricidad de un hogar. Como el hormigón conservaría su resistencia, una casa con cimientos de este material podría almacenar la energía de un día producida por paneles solares o molinos de viento y utilizarla cuando fuera necesaria. Además, los supercondensadores pueden cargarse y descargarse mucho más rápidamente que las baterías.

Tras una serie de pruebas para determinar las proporciones más eficaces de cemento, negro de humo y agua, el equipo demostró el proceso fabricando pequeños supercondensadores, del tamaño de algunas pilas de botón, de 1 centímetro de diámetro y 1 milímetro de grosor, que podían cargarse cada uno a 1 voltio, comparable a una pila de 1 voltio. A continuación conectaron tres de ellos para demostrar su capacidad de iluminar un diodo emisor de luz (LED) de 3 voltios. Una vez demostrado el principio, planean construir una serie de versiones mayores, empezando por unas del tamaño de una batería de coche de 12 voltios, hasta llegar a una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad de almacenar la energía de una casa.

Descubrieron que existe un equilibrio entre la capacidad de almacenamiento del material y su resistencia estructural. Al añadir más negro de humo, el supercondensador resultante puede almacenar más energía, pero el hormigón es ligeramente más débil, lo que podría ser útil para aplicaciones en las que el hormigón no desempeña una función estructural o en las que no se requiere todo el potencial de resistencia del hormigón. Para aplicaciones como los cimientos o los elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el «punto óptimo» se sitúa en torno al 10% de negro de humo en la mezcla.

El mismo tipo de mezcla de hormigón puede utilizarse como sistema de calefacción, simplemente aplicando electricidad

Otra posible aplicación de los supercondensadores de carbono-cemento es la construcción de calzadas de hormigón que puedan almacenar la energía producida por los paneles solares situados a lo largo de la carretera y suministrarla a los vehículos eléctricos que circulen por ella utilizando la misma tecnología que se emplea para recargar teléfonos de forma inalámbrica. Empresas alemanas y holandesas ya están desarrollando un sistema similar de recarga de coches, pero con baterías estándar.

Según los investigadores, los primeros usos de esta tecnología podrían ser viviendas aisladas, edificios o refugios alejados de la red eléctrica, que podrían alimentarse con paneles solares conectados a los supercondensadores de cemento.

Ulm afirma que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es una función directa del volumen de los electrodos. «Se puede pasar de electrodos de un milímetro de grosor a electrodos de un metro de grosor, con lo que básicamente se puede escalar la capacidad de almacenamiento de energía desde encender un LED durante unos segundos hasta alimentar una casa entera», explica.

Dependiendo de las propiedades deseadas para una aplicación determinada, el sistema podría ajustarse modificando la mezcla. Para una carretera de carga de vehículos, se necesitarían velocidades de carga y descarga muy rápidas, mientras que para alimentar una casa «tienes todo el día para cargarla», por lo que podría utilizarse material de carga más lenta, dice Ulm.

«Es un material multifuncional», añade. Además de su capacidad para almacenar energía en forma de supercondensadores, el mismo tipo de mezcla de hormigón puede utilizarse como sistema de calefacción, simplemente aplicando electricidad al hormigón cargado de carbono.

Ulm lo ve como «una nueva forma de ver el futuro del hormigón como parte de la transición energética».

REFERENCIA

Carbon–cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution