Condensadores de Hormigón: El Futuro del Almacenamiento de Energía

Almacenando Energía en Condensadores de Hormigón

Cuando se trata de almacenamiento de energía, toda la atención se concentra en las baterías. Durante un tiempo se centró principalmente en la tecnología de iones de litio en constante mejora, pero ahora también se están desarrollando o alcanzando la fase comercial baterías de iones de sodio, de estado sólido y otros tipos de químicas de baterías alternativas.

En todos los casos, estas baterías almacenan electricidad en forma química, generalmente utilizando iones metálicos para transportar la carga eléctrica.

Fuente: Let’s Talk Science

Sin embargo, esta no es la única forma de almacenar electricidad. Otra opción es utilizar un supercondensador.

A diferencia de las baterías que almacenan la carga eléctrica en una masa de iones metálicos, los supercondensadores y ultracondensadores retienen la carga eléctrica en la superficie de un material conductor.

Fuente: Sinovoltaics

Esta diferencia fundamental en el concepto de almacenamiento de energía cambia la forma en que funcionan los condensadores en comparación con las baterías. Debido a que la energía está disponible en la superficie del material, puede movilizarse muy rápidamente, permitiendo ciclos de carga y descarga ultrarrápidos, mientras que las baterías se ven ralentizadas por la velocidad de las reacciones químicas requeridas.

Hasta ahora, los condensadores han sido principalmente un producto de nicho, ya que almacenan menos carga que las baterías y suelen ser más caros, al requerir materiales más costosos.

Esto podría estar cambiando, con el desarrollo de condensadores basados en hormigón por parte de cuatro investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que podrían, en última instancia, usarse para convertir edificios y carreteras en gigantescas baterías.

Publicaron su último diseño en la prestigiosa revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) bajo el título “Supercondensadores de carbono‑cemento de alta densidad energética para el almacenamiento de energía arquitectónica”.

Aplicaciones de los Condensadores

La baja carga de los condensadores en comparación con las baterías ha dificultado hasta ahora su uso para almacenamiento de energía a gran escala o a largo plazo, a pesar de su notable durabilidad.

Sin embargo, su capacidad para manejar cambios muy rápidos en la carga eléctrica y voltajes mucho más altos, sin sufrir daños, los hace útiles para aplicaciones donde se produce o se necesita una gran cantidad de energía de forma instantánea.

Por ejemplo, los supercondensadores se utilizan en automóviles, trenes, grúas y ascensores, para almacenamiento de energía a corto plazo, frenado regenerativo o suministro de energía en modo ráfaga.

Aunque la energía total no es necesariamente tan alta, la intensidad y la velocidad sí lo son.

Para redes eléctricas y aplicaciones de almacenamiento de energía, los supercondensadores son más efectivos para cubrir brechas de energía que duran desde unos segundos hasta unos minutos y pueden recargarse rápidamente.

Mejorando los Condensadores Basados en Hormigón

Haciendo que el Hormigón Almacene Energía

Para las baterías, la diferencia de energía entre las distintas reacciones electroquímicas y la cantidad de metal reactivo disponible suele limitar la capacidad.

Para los condensadores, la limitación principal es la superficie total del material. Por lo tanto, en general, los materiales más porosos almacenarán mucho más carga.

Por esta razón, los materiales heterogéneos (formados por múltiples elementos) suelen ser los mejores, al igual que cualquier material que sea el resultado de la polimerización de materiales más simples, con muchos poros y alveolos en su interior.

Ya en 2023, los investigadores del MIT habían explorado el potencial del hormigón, un material con una estructura microscópica compleja que, en teoría, podría convertirse en un condensador.

Esto se logró utilizando cemento, agua, negro de carbono ultrafino (con partículas a escala nanométrica) y electrolitos. Juntos, crearon el llamado hormón de carbono conductor de electrones (ec³, pronunciado “e-c-cubed”).

ec³ contiene una “nanored de carbono” dentro del hormigón que puede almacenar y conducir electricidad.

Abundancia del Hormigón

El cemento y el hormigón son, de lejos, los materiales más producidos en la Tierra, alcanzando volúmenes y masas totales de 1.7 mil millones de metros cúbicos y 4.1 mil millones de toneladas, superiores a cualquier otro material, incluidos la arena y el acero.

Fuente: Visual Capitalist

Como resultado, esto significa que incluso convertir una fracción muy pequeña del hormigón mundial en almacenamiento de energía podría cambiar radicalmente la forma en que almacenamos energía en nuestros hogares, oficinas y ciudades.

“Una clave para la sostenibilidad del hormigón es el desarrollo de ‘hormigón multifuncional’, que integra funcionalidades como este almacenamiento de energía, la autorreparación y la captura de carbono.

El hormigón ya es el material de construcción más utilizado del mundo, ¿por qué no aprovechar esa escala para crear otros beneficios?

Admir Masic – Profesor asociado de ingeniería civil y ambiental (CEE) en MIT.

Mejorando el Rendimiento de ec³

Aumentando la Densidad de Energía

El prototipo original de 2023 tenía una densidad energética suficiente para que 45 metros cúbicos de ec³, aproximadamente la cantidad de hormigón utilizada en un sótano típico, fueran suficientes para cubrir las necesidades diarias de un hogar promedio.

Aunque interesante, las preguntas sobre costos y practicidad hicieron que esta cifra no fuera realmente viable comercialmente.

Las nuevas versiones del producto de los investigadores pueden almacenar la misma cantidad de energía en 1/9^th del volumen, o solo 5 metros cúbicos (176 pies cúbicos).

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Análisis en Profundidad

Este mayor rendimiento se logró mediante el uso de un haz de iones enfocado para eliminar secuencialmente capas delgadas del material ec³. Estas capas fueron luego analizadas con un microscopio electrónico de barrido (tomografía FIB‑SEM).

Esto permitió a los investigadores reconstruir una imagen de alta resolución de la nanored conductora. Descubrieron que forma una “red tipo fractal” que rodea los poros de ec³, lo que permite que el electrolito se infiltre y que la corriente fluya a través del sistema.

Con esta herramienta analítica superior, el equipo de investigación experimentó con diferentes electrolitos y sus concentraciones para ver cómo influían en la densidad de almacenamiento de energía.

“Descubrimos que existe una amplia gama de electrolitos que podrían ser candidatos viables para ec³.

Esto incluso incluye agua de mar, lo que podría convertir este material en una buena opción para aplicaciones costeras y marinas, quizás como estructuras de soporte para parques eólicos offshore.

Damian Stefaniuk – científico investigador del EC³ Hub

Midieron que los electrolitos orgánicos, especialmente aquellos que combinaban sales cuaternarias de amonio encontradas en productos cotidianos como desinfectantes, funcionaban mejor cuando se mezclaban con acetonitrilo, un líquido claro y conductor que se usa frecuentemente en la industria.

Mejor Fabricación de Baterías de Hormigón

Anteriormente, el método utilizado requería curar los electrodos de ec³ y luego sumergirlos en electrolito. En su lugar, descubrieron que podían añadir el electrolito directamente al agua de mezcla.

Esto fue esencial para fundir electrodos más gruesos que almacenaran más energía.

Como demostración de esta tecnología, el equipo construyó un arco de hormigón ec³ en miniatura para mostrar cómo la forma estructural y el almacenamiento de energía pueden trabajar juntos.

Operando a 9 voltios, el arco soportó su propio peso y una carga adicional mientras alimentaba una luz LED.

Monitoreo Automático de la Integridad Estructural

Un fenómeno sorprendente ocurrió cuando aumentaron la carga en el arco de prueba. En algún momento, la luz comenzó a parpadear, reflejando que el hormigón empezaba a dañarse y que el almacenamiento eléctrico fallaba.

Esto hace visible el daño estructural a pesar de no haber grietas visibles. Esta capacidad podría ser muy útil en edificios reales.

“Puede haber una especie de capacidad de auto‑monitoreo aquí. Si pensamos en un arco ec³ a escala arquitectónica, su salida puede fluctuar cuando es afectado por un factor de estrés como vientos fuertes.

Podríamos usar esto como una señal de cuándo y en qué medida una estructura está bajo tensión, o monitorear su salud general en tiempo real.

Admir Masic – Profesor asociado de ingeniería civil y ambiental (CEE) en MIT.

Hormigón Autocalefactado

Este diseño de hormigón no solo puede almacenar energía, sino que también tiene mayor conductividad térmica. Como resultado, puede ayudar a derretir el hielo depositado sobre él, y ya se ha utilizado con ese fin en Sapporo, Japón, representando una alternativa potencial a la sal.

La energía almacenada y luego liberada en forma de calor también podría usarse para derretir hielo en carreteras, aceras y senderos.

El Futuro de las Baterías de Hormigón y el Almacenamiento de Energía

Hasta ahora, las baterías a escala de servicios públicos se han imaginado principalmente como baterías térmicas, almacenamiento de hidrógeno o baterías que utilizan materiales de bajo costo como sodio, hierro o aluminio, para reemplazar los más caros litio/cobalto/níquel de las baterías de iones de litio.

Sin embargo, si queremos escalar el almacenamiento de baterías para alimentar completamente a la civilización industrializada con energía solar, un material más ubicuo como el hormigón podría ser ideal.

Primero, utiliza aún menos materiales raros, ya que incluso las baterías de química alternativa siguen requiriendo mucho cobre, por ejemplo.

En segundo lugar, también podría incorporarse de manera más fluida en los paisajes urbanos y construcciones cotidianas.

El equipo ya está trabajando en aplicaciones como plazas de aparcamiento y carreteras que podrían cargar vehículos eléctricos, así como hogares que puedan operar completamente fuera de la red.

Dado que el hormigón resultante tiene la misma integridad estructural que el hormigón normal, podría tener sentido usarlo directamente, evitando por completo la necesidad de espacio adicional y procedimientos de construcción de parques de baterías.

“Al combinar la nanociencia moderna con un bloque de construcción antiguo de la civilización, estamos abriendo una puerta a una infraestructura que no solo sustenta nuestras vidas, sino que las alimenta.”

Admir Masic – Profesor asociado de ingeniería civil y ambiental (CEE) en MIT.

Invertir en Cemento Sostenible

CRH Plc

Como uno de los líderes mundiales en producción de cemento, CRH será fundamental para convertir la construcción con cemento en una industria más sostenible. Es el número 1 en volumen total de material de construcción suministrado tanto en los mercados de EE. UU. como en Europa.

La compañía está activa en 28 países y 3.390 ubicaciones, empleando a 78.500 personas, y CRH Americas representa el 65 % de sus ventas globales.

Fuente: CRH

Se espera que el sólido gasto de los gobiernos occidentales en infraestructura ayude a hacer crecer su negocio. Las tendencias de reindustrialización y de relocalización de la fabricación de alta tecnología también deberían ayudar.

Estrategia de Sostenibilidad y Descarbonización de CRH

CRH ha logrado avances serios en sostenibilidad con una serie de iniciativas:

• Es el reciclador más grande #1 en Norteamérica, con 43,9 millones de toneladas de residuos y subproductos de otras industrias reciclados en 2023.
• Redujo sus emisiones de CO₂ en un 8 % en 2023, gracias al uso de un 36 % de combustibles alternativos en sus plantas de cemento.
• Apunta a una reducción de emisiones del 30 % para 2030 (en comparación con las emisiones de 2021).

Esto es encomiable por sí mismo, pero puede verse como demasiado poco, demasiado tarde.

Afortunadamente, CRH también es impulsor de cambios más fundamentales en la industria. Notablemente, ha invertido 75 M $ en la empresa de cemento bajo en carbono Sublime, junto con el gigante europeo del hormigón Holcim.

Sublime Systems se escindió del MIT en 2020 para utilizar un electrolizador que produzca cemento a temperaturas ambientales, sustituyendo los hornos intensivos en energía y combustibles fósiles. También permite el uso de fuentes de calcio como material de entrada, evitando la liberación de CO₂ proveniente de la piedra caliza.

Se espera que la primera instalación comercial de Sublime en Holyoke, Massachusetts, abra sus puertas tan pronto como 2026. Si se demuestra exitosa, podría ser el verdadero cambio de juego para la industria del cemento y abrir el camino a un hormigón de bajas emisiones escalable.

“Sublime es una fuerza disruptiva en la fabricación de cemento. Su tecnología única abarca todo el proceso de producción, desde el uso de electricidad limpia hasta materias primas libres de carbono. Estamos entusiasmados con su potencial y encantados de asociarnos para llevarlo al mercado a gran escala. Esta inversión está totalmente alineada con la estrategia de Holcim de acelerar la descarbonización de la construcción mediante la ampliación de las tecnologías más innovadoras.”

Officer Nollaig Forrest – Jefe de Sostenibilidad de Holcim

CRH también invirtió en otras startups de descarbonización y sostenibilidad:

• 23,7 M € en Cool Planet Technologies, que desarrolla soluciones de captura de carbono para industrias que tradicionalmente han sido difíciles de descarbonizar.
• 34,7 M $ por parte de CRH y otros inversores en Carbon Upcycling Technologies, que utiliza una solución de mineralización totalmente eléctrica para almacenar permanentemente CO₂ en subproductos industriales y minerales, como cemento, plásticos, productos de consumo, fertilizantes y productos farmacéuticos.
• AICrete, una plataforma de ‘receta‑como‑servicio’ que trabaja con productores locales de hormigón, optimizando los materiales locales y minimizando la cantidad de cemento utilizado mediante análisis de IA, reduciendo tanto la huella de CO₂ como el costo de producción del hormigón.
• La ronda Serie B de FIDO AI es una startup que utiliza IA para reducir el consumo de agua y aumentar el ahorro de agua.

En conjunto, CRH es un líder rentable en la industria del hormigón y está muy activamente preparándose para la descarbonización de la industria, tanto directamente en sus instalaciones existentes como siendo un proveedor principal de capital para startups innovadoras que crean la próxima generación de tecnología de producción de cemento y hormigón.

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