, podrían sentar las bases de una solución innovadora y económica de almacenamiento de energía, según un estudio reciente. Este planteamiento podría hacer más manejables fuentes de energía renovables como la solar, la eólica y la mareomotriz, permitiendo que los sistemas energéticos se mantengan constantes aunque varíe la producción de energía renovable. El estudio descubrió que el dúo de sustancias puede mezclarse con agua para crear un supercondensador -un sustituto de las baterías- que podría almacenar energía eléctrica.){kind=link}
El cemento y el negro de humo, dos de los materiales más extendidos en la historia de la humanidad (el negro de humo es parecido al carbón vegetal extremadamente fino), podrían sentar las bases de una solución innovadora y económica de almacenamiento de energía, según un estudio reciente. Este planteamiento podría hacer más manejables fuentes de energía renovables como la solar, la eólica y la mareomotriz, permitiendo que los sistemas energéticos se mantengan constantes aunque varíe la producción de energía renovable. El estudio descubrió que el dúo de sustancias puede mezclarse con agua para crear un supercondensador -un sustituto de las baterías- que podría almacenar energía eléctrica. Por ejemplo, los científicos del MIT que idearon este método afirman que su supercondensador podría llegar a incrustarse en la base de hormigón de una casa, donde podría conservar la energía de todo un día, añadiendo un coste adicional mínimo (o nulo) a los cimientos y conservando la integridad estructural necesaria. El equipo también imagina una carretera de hormigón que podría permitir la carga inalámbrica de vehículos eléctricos mientras circulan por ella.
El método, sin pretensiones pero revolucionario, se detalla en el último número de la revista PNAS, en un artículo de los profesores del MIT Franz-Josef Ulm, Admir Masic, Yang-Shao Horn y cuatro colegas del MIT y del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada. Los condensadores son mecanismos fundamentalmente muy sencillos, compuestos por dos capas conductoras de la electricidad sumergidas en un electrolito y divididas por una barrera. Cuando se aplica energía sobre el condensador, los iones positivos del electrolito se acumulan en la capa cargada negativamente, mientras que la capa cargada positivamente acumula iones negativos. Como la barrera impide que los iones cargados se muevan a través de ella, esta división de cargas establece un campo eléctrico entre las capas, cargando el condensador. Estas capas pueden retener este dúo de cargas durante un periodo prolongado y luego descargarlas rápidamente cuando sea necesario. Los supercondensadores son simplemente condensadores con capacidad para almacenar cantidades especialmente grandes de carga.
La capacidad de almacenamiento de energía de un condensador depende de la superficie acumulada de sus placas metálicas. La innovación en los supercondensadores ideados por este grupo se basa en una técnica de fabricación de una sustancia similar al cemento que posee una superficie interna extraordinariamente amplia, resultado de una espesa red interconectada de sustancias conductoras dentro de su volumen central. Los científicos lo consiguieron inyectando negro de humo, de gran conductividad, en una mezcla de hormigón, polvo de cemento y agua, y dejando que se solidificara. El agua crea espontáneamente una red divergente de cavidades dentro de la estructura al interactuar con el cemento, y el carbono se desplaza a estos huecos, formando filamentos dentro del cemento curado. Estas formaciones adoptan un patrón fractal, en el que los miembros más grandes dan lugar a otros más pequeños, que a su vez producen vástagos aún más pequeños, culminando en una superficie extraordinariamente amplia dentro de los límites de un espacio bastante reducido. A continuación, la sustancia se sumerge en un electrolito común, como el cloruro potásico, una variedad de sal, que suministra las partículas cargadas eléctricamente que se acumulan en las formaciones de carbono. Dos electrodos fabricados con esta sustancia, divididos por una delgada separación o una capa no conductora, crean un supercondensador muy potente, según determinaron los científicos.
Las dos placas del condensador funcionan de forma similar a los dos terminales de una batería recargable de voltaje correspondiente: Cuando se conectan a una fuente eléctrica, como una pila, la energía se conserva en las placas y, cuando se conectan a una carga, la corriente eléctrica se descarga para suministrar energía. «La sustancia es cautivadora», afirma Masic, «porque tiene cemento, la sustancia artificial más empleada en todo el mundo, junto con negro de humo, un material tradicional de renombre: los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él. Tenemos estos materiales, con al menos dos mil años de antigüedad, que al amalgamarse de forma distinta dan lugar a un nanocompuesto conductor, y ahí es cuando los aspectos se vuelven verdaderamente atractivos.» A medida que la mezcla se solidifica y madura, señala, «el agua se consume progresivamente mediante reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación influye intrínsecamente en las nanopartículas de carbono, ya que repelen el agua (hidrófobas).» A medida que avanza la mezcla, «el negro de humo se organiza de forma autónoma en un filamento conductor unificado», explica. Este método es fácil de reproducir y utiliza materiales económicos y accesibles para todo el mundo. Además, la cantidad de carbono necesaria es mínima -apenas un 3% del volumen de la mezcla- para conseguir una red de carbono permeable, explica Masic.
Según Ulm, los supercondensadores fabricados con esta sustancia son muy prometedores para contribuir al cambio mundial hacia la energía sostenible. Las principales fuentes de energía no contaminante, es decir, la eólica, la solar y la mareomotriz, generan su rendimiento en momentos inestables, que a menudo no coinciden con los puntos álgidos de consumo eléctrico, por lo que los métodos para retener esta energía son cruciales. «Existe una enorme demanda de almacenamiento de energía a gran escala», observa, y añade que las baterías actuales son excesivamente costosas y dependen principalmente de elementos como el litio, cuya disponibilidad es finita, por lo que se buscan desesperadamente sustitutos más económicos. «Nuestra tecnología encaja perfectamente aquí, ya que el cemento está muy extendido», afirma Ulm. El grupo ha determinado que un segmento de hormigón infundido con nanocarbono negro que mida 45 metros cúbicos (o yardas) -lo que equivale a un cubo de unos 3,5 metros de ancho- abarcaría capacidad suficiente para mantener unos 10 kilovatios-hora de energía, cantidad que suele considerarse el consumo eléctrico diario estándar de una vivienda familiar. Dado que el hormigón mantendría su durabilidad, una vivienda con cimientos compuestos de esta sustancia podría retener la energía de un día entero procedente de colectores solares o turbinas eólicas y permitir su utilización en cualquier momento necesario. Además, los supercondensadores pueden cargarse y descargarse a un ritmo mucho más rápido que las baterías normales.
Tras una serie de exámenes para determinar las proporciones óptimas de cemento, negro de humo y agua, los investigadores validaron la metodología fabricando supercondensadores diminutos, de tamaño más o menos equivalente al de ciertas pilas de botón, de aproximadamente 1 centímetro de diámetro y 1 milímetro de grosor, cada uno capaz de mantener una carga de 1 voltio, análoga a la de una batería de 1 voltio. A continuación acoplaron tres de ellas para demostrar su capacidad de iluminar un diodo emisor de luz (LED) de 3 voltios. Una vez confirmado el concepto, pretenden construir una serie de modelos más sustanciales, empezando por los del tamaño aproximado de una batería de automóvil estándar de 12 voltios, y avanzando después hasta un modelo de 45 metros cúbicos para exhibir su potencial de conservación de una cantidad de energía equivalente a la utilizada en una vivienda. Descubrieron un equilibrio entre la capacidad de almacenamiento del material y su robustez mecánica. Al incorporar negro de humo adicional, el supercondensador resultante puede retener más energía, aunque el hormigón se vuelve ligeramente menos resistente; esto puede ser beneficioso en situaciones en las que el hormigón no cumple una función de soporte de carga o en las que la capacidad de resistencia máxima del hormigón es innecesaria. Para usos como los cimientos o los componentes estructurales de la base de una turbina eólica, la proporción óptima se sitúa en torno al 10 por ciento de negro de humo en la composición, concluyeron.
Otro posible uso de los supercondensadores de cemento con carbono podría ser la construcción de carreteras de hormigón, capaces de acumular la energía generada por paneles solares situados junto a la calzada y transferirla a los coches eléctricos que circulen por ella, utilizando la misma tecnología que los teléfonos que se cargan de forma inalámbrica. Empresas de Alemania y los Países Bajos están desarrollando un sistema similar de recarga de automóviles, aunque utilizan baterías convencionales para su contención. La tecnología podría emplearse inicialmente para viviendas, estructuras o refugios remotos alejados de las redes eléctricas convencionales, alimentados por paneles solares conectados a los supercondensadores de cemento, según señalan los científicos. Ulm indica que la configuración es muy ampliable, ya que la capacidad de almacenar energía está directamente correlacionada con el volumen de los electrodos. «La capacidad de almacenamiento de energía puede ampliarse desde electrodos de un milímetro de grosor hasta electrodos de un metro, lo que permite pasar de iluminar un LED durante varios segundos a suministrar energía a toda una vivienda», explica.
Las características del sistema pueden adaptarse a requisitos específicos modificando la composición. Para una carretera destinada a cargar automóviles, sería necesaria una carga y descarga extremadamente rápidas, mientras que para una aplicación residencial, «hay tiempo de sobra para reponerla», por lo que podría aplicarse una sustancia de carga más gradual, según Ulm. «Es un material realmente versátil», añade. Aparte de su capacidad para conservar energía como supercondensadores, la misma variedad de mezcla de hormigón puede funcionar como sistema de calefacción simplemente suministrando electricidad al hormigón con carbono. Ulm lo ve como «una nueva perspectiva sobre el futuro del hormigón en el contexto del cambio energético». El grupo de investigación también estaba formado por los investigadores postdoctorales Nicolas Chanut y Damian Stefaniuk, del Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental del MIT, James Weaver, del Instituto Wyss, y Yunguang Zhu, del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. La iniciativa recibió el respaldo del MIT Concrete Sustainability Hub, patrocinado por la Concrete Advancement Foundation.