Crean un nuevo tipo de cemento capaz de almacenar electricidad como si fuera una batería

En una mesa de laboratorio en Cambridge, Massachusetts, hay una pila de cilindros pulidos de concreto negro, bañados en líquido, y entrelazados con cables. Para un observador casual, no están haciendo mucho. Pero entonces Damian Stefaniuk acciona un interruptor. Los bloques de roca artificiales están conectados a un LED y la bombilla cobra vida.

“Al principio no lo creía”, dice Stefaniuk al describir la primera vez que la bombilla se encendió.

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“Pensé que no había desconectado la fuente de alimentación externa y que por eso el LED se había encendido.

“Fue un día maravilloso. Invitamos a estudiantes y yo invité a profesores a ver, porque al principio tampoco creían que funcionara”.

¿El motivo de la emoción? Ese oscuro e inofensivo trozo de hormigón podría representar el futuro del almacenamiento de energía.

Baterías

La promesa de la mayoría de las fuentes de energía renovables es la de una energía limpia e infinita, que nos llega del sol, el viento y el mar.

Sin embargo, el sol no siempre brilla, el viento no siempre sopla y las aguas tranquilas, en términos de megavatios, no tienen profundidad.

Se trata de fuentes de energía intermitentes, lo que, en nuestro mundo moderno, hambriento de energía, plantea un problema.

Significa que necesitamos almacenar esa energía en baterías. Pero las baterías dependen de materiales como el litio, cuya oferta es mucho menor a lo que seguramente se necesitará para satisfacer la demanda que genere la búsqueda mundial por descarbonizar sus sistemas de energía y transporte.

Hay 101 minas de litio en el mundo y los analistas económicos son pesimistas sobre la capacidad de estas minas para mantenerse al día con la creciente demanda global.

Los analistas medioambientales señalan que la minería del litio utiliza mucha energía y agua, lo que reduce los beneficios medioambientales de cambiar a fuentes de energía renovables.

Los procesos implicados en la extracción de litio también pueden hacer que a veces se filtren sustancias químicas tóxicas a los suministros de agua locales.

A pesar de algunos nuevos descubrimientos de reservas de litio, el suministro finito de este material, la excesiva dependencia de sólo un puñado de minas en todo el mundo y su impacto ambiental han impulsado la búsqueda de materiales alternativos para baterías.

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Aquí es donde entran en juego Stefaniuk y su concreto. Él y sus colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han encontrado una manera de crear un dispositivo de almacenamiento de energía conocido como supercondensador a partir de tres materiales básicos y baratos: agua, cemento y una sustancia parecida al hollín conocida como negro de carbón.

Supercondensadores

Los supercondensadores son muy eficientes almacenando energía y se diferencian de las baterías en aspectos importantes.

Pueden cargarse mucho más rápido que una batería de iones de litio y no sufren los mismos niveles de degradación en su rendimiento.

Pero los supercondensadores también liberan rápidamente la energía que almacenan, lo que los hace menos útiles en dispositivos como teléfonos móviles, computadoras portátiles o automóviles eléctricos, donde se necesita un suministro constante de energía durante un período prolongado.

Sin embargo, según Stefaniuk, los supercondensadores de cemento de carbono podrían suponer una contribución importante a los esfuerzos por descarbonizar la economía global.

“Si se puede ampliar, la tecnología puede ayudar a resolver un problema importante: el almacenamiento de energía renovable”, afirma.

Él y sus colegas investigadores del MIT y del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard prevén varias aplicaciones para sus supercondensadores.

Una podría ser crear carreteras que almacenen energía solar y luego la liberen para recargar los vehículos eléctricos de forma inalámbrica mientras circulan por la carretera.

La rápida liberación de energía del supercondensador de cemento de carbono permitiría a los vehículos obtener un rápido impulso para sus baterías.

Otra opción sería la de cimientos de casas que almacenen energía: “tener paredes, cimientos o columnas que sean activos no sólo para soportar una estructura, sino también para almacenar energía en su interior”, dice Stefaniuk.

Limitaciones

Pero todavía es pronto. Por ahora, el supercondensador de hormigón puede almacenar un poco menos de 300 vatios-hora por metro cúbico, lo que sería suficiente para alimentar una bombilla LED de 10 vatios durante 30 horas.

La potencia producida “puede parecer baja en comparación con las baterías convencionales, [pero] una casa con unos cimientos que contengan 30-40 metros cúbicos de hormigón podría tener la capacidad suficiente para satisfacer las necesidades energéticas diarias de un hogar”, dice Stefaniuk.

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“Dado el uso generalizado del concreto a nivel mundial, este material tiene el potencial de ser altamente competitivo y útil en el almacenamiento de energía”.

Stefaniuk y sus colegas del MIT probaron inicialmente el concepto creando supercondensadores de 1 V del tamaño de un centavo a partir del material antes de conectarlos en serie para alimentar un LED de 3 V.

Desde entonces, han ampliado el concepto hasta producir un supercondensador de 12 V.

Stefaniuk también ha podido utilizar versiones más grandes del supercondensador para alimentar una consola de juegos portátil.

Y el equipo de investigación ahora planea construir versiones más grandes, incluida una de hasta 45 metros cúbicos de tamaño que podría almacenar alrededor de 10 kWh de energía necesaria para alimentar una casa durante un día.

Cómo funciona

El supercondensador funciona gracias a una propiedad inusual del negro de carbón: es altamente conductor.

Esto significa que cuando el negro de carbón se combina con cemento en polvo y agua, se obtiene una especie de concreto lleno de redes de material conductor, que adopta una forma que se asemeja a raíces diminutas que siempre se ramifican.

Los condensadores están formados por dos placas conductoras con una membrana entre ellas. En este caso, ambas placas están hechas de cemento negro de carbón, que se empapó en una sal electrolítica llamada cloruro de potasio.

Cuando se aplicó una corriente eléctrica a las placas empapadas de sal, las placas cargadas positivamente acumularon iones cargados negativamente del cloruro de potasio. Y como la membrana impedía el intercambio de iones cargados entre las placas, la separación de cargas creó un campo eléctrico.

Como los supercondensadores pueden acumular grandes cantidades de carga muy rápidamente, los dispositivos podrían ser útiles para almacenar el exceso de energía producida por fuentes renovables intermitentes como la eólica y la solar.

Esto aliviaría la presión de la red en momentos en que no sopla el viento ni brilla el sol.

Como dice Stefaniuk: “Un ejemplo sencillo sería una casa aislada alimentada por paneles solares: utilizando energía solar directamente durante el día y la energía almacenada, por ejemplo, en los cimientos durante la noche”.

Los supercondensadores no son perfectos. Las iteraciones existentes descargan su energía rápidamente y no son ideales para una producción constante, que sería necesaria para alimentar una casa durante todo el día.

Stefaniuk dice que él y sus colegas están trabajando en una solución que permita ajustar su versión de cemento de carbón ajustando la mezcla, pero no revelarán los detalles hasta que hayan finalizado las pruebas y hayan publicado un artículo.

Una “innovación prometedora”

También podría haber otros problemas que superar: agregar más negro de carbón permite que el supercondensador resultante almacene más energía, pero también debilita ligeramente el concreto.

Los investigadores dicen que para lograr el uso del concreto en un papel estructural, así como el almacenamiento de energía, necesitan encontrar una mezcla óptima de negro de carbón.

Y si bien los supercondensadores de cemento de carbono podrían ayudar a reducir nuestra dependencia del litio, tienen su propio impacto ambiental.

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La producción de cemento es responsable del 5-8% de las emisiones de dióxido de carbono procedentes de la actividad humana a nivel mundial, y el cemento de carbono necesario para los supercondensadores tendría que estar recién fabricado en lugar de adaptarse a estructuras existentes.

Sin embargo, parece ser una innovación prometedora, afirma Michael Short, que dirige el Centro de Ingeniería Sostenible de la Universidad de Teesside en Reino Unido.

La investigación “abre muchas vías potenciales interesantes en torno al uso del propio entorno construido como medio de almacenamiento de energía”, afirma.

“Dado que los materiales también son comunes y la fabricación relativamente sencilla, esto es una gran indicación de que este enfoque debería investigarse más a fondo y podría ser una parte muy útil de la transición hacia un futuro más limpio y sostenible”.

Pero se necesitará más investigación para trasladar esto del laboratorio al mundo real.

“A menudo, los nuevos descubrimientos son problemáticos cuando se considera pasar de la escala de laboratorio o de mesa a una implementación más amplia a escalas y volúmenes mayores”, advierte Short.

“Esto puede deberse a complejidades de fabricación, escasez de recursos o, a veces, debido a la física o química subyacente. Lo que ocurre en escalas más pequeñas puede reducirse o incluso desaparecer cuando se intenta hacerlo más grande”.

Pero puede haber una manera de superar el problema del cemento perjudicial para el medio ambiente, añade Short.

Sus colegas de la Universidad de Teesside ya están trabajando en cemento de bajas emisiones elaborado a partir de subproductos de las industrias química y del acero.

Proyectos como el cemento de bajas emisiones y el hormigón que almacena energía plantean la perspectiva de un futuro en el que nuestras oficinas, carreteras y hogares desempeñen un papel importante en un mundo impulsado por energía limpia.