Condensadores de concreto: El futuro del almacenamiento de energía

Almacenar energía en condensadores de concreto

Cuando se trata de almacenamiento de energía, toda la atención se centra en las baterías. Mientras que por un tiempo se centró principalmente en la tecnología de iones de litio en constante mejora, ahora los iones de sodio, los estados sólidos y otros tipos de química de baterías alternativas también se están desarrollando o alcanzando la etapa comercial.

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

Fuente: Let’s Talk Science

Esto, sin embargo, no es la única forma en que se puede 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 mantienen la carga eléctrica en la superficie de un material conductor.

Fuente: Sinovoltaics

Esta diferencia fundamental en el concepto de almacenamiento de energía cambia cómo funcionan los condensadores en comparación con las baterías. Debido a que la energía está disponible en la superficie del material, se puede movilizar muy rápidamente, lo que permite ciclos de carga y descarga ultra rápidos, mientras que las baterías se ralentizan por la velocidad de las reacciones químicas requeridas.

Los condensadores hasta ahora han sido en gran medida un producto de nicho, ya que retienen menos carga que las baterías y a menudo son más caros, ya que requieren materiales más costosos.

Esto podría estar cambiando, con el desarrollo de condensadores basados en concreto por cuatro investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que podrían utilizarse eventualmente para convertir edificios y carreteras en baterías gigantes.

Publicaron su último diseño en la prestigiosa revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) con el título “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Aplicaciones de condensadores

La baja carga de los condensadores en comparación con las baterías ha obstaculizado su uso para el 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 mucha energía de vez en cuando.

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

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

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

Mejorar los condensadores de concreto

Hacer que el concreto almacene energía

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

Para los condensadores, la principal limitación es la superficie total del material. Entonces, generalmente, los materiales más porosos llevarán más carga.

Por esta razón, los materiales heterogéneos (hechos de múltiples elementos) suelen ser los mejores, así como cualquier material que sea el resultado de la polimerización de materiales más simples, con muchos poros y alvéolos en el interior.

Ya en 2023, los investigadores de MIT habían explorado el potencial del concreto, un material con una estructura microscópica compleja que podría, en teoría, 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 concreto de carbono conductor de electrones (ec³, pronunciado “e-c-cubed”).

ec³ contiene una “red de nanocarbono” dentro del concreto que puede almacenar y conducir electricidad.

Abundancia de concreto

El cemento y el concreto son, con diferencia, los materiales más producidos en la Tierra, alcanzando volúmenes y masas totales de 1.700 millones de metros cúbicos y 4.100 millones de toneladas, superiores a cualquier otro material, incluyendo arena y acero.

Fuente: Visual Capitalist

Como resultado, esto significa que incluso convertir una pequeña fracción del concreto del mundo 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 concreto es el desarrollo del ‘concreto multifuncional’, que integra funcionalidades como este almacenamiento de energía, autoreparación y secuestro de carbono.

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

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

Mejorar el rendimiento de ec³

Aumentar la densidad de energía

El prototipo original de 2023 tenía una densidad de energía lo suficientemente alta como para que 45 metros cúbicos de ec³, aproximadamente la cantidad de concreto utilizada en un sótano típico, fueran suficientes para satisfacer las necesidades diarias del hogar promedio.

Aunque es interesante, las preguntas de costos y practicidad hicieron que este número no fuera realmente comercializable.

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

Este rendimiento mejorado se logró utilizando un haz de iones enfocado para eliminar capas delgadas secuenciales del material ec³. Estas capas se analizaron luego con un microscopio electrónico de barrido (tomografía FIB-SEM).

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

Con esta herramienta analítica superior, el equipo de investigación procedió a experimentar con diferentes electrolitos y sus concentraciones para ver cómo impactaban la densidad de almacenamiento de energía.

“Encontramos que hay una amplia gama de electrolitos que podrían ser candidatos viables para ec³.

Esto incluye incluso el agua de mar, lo que podría hacer que este sea un buen material para su uso en aplicaciones costeras y marinas, quizás como estructuras de soporte para granjas eólicas offshore.”

Damian Stefaniuk – Científico de investigación del Hub ec³

Medieron que los electrolitos orgánicos, especialmente aquellos que combinaban sales de amonio cuaternario encontradas en productos cotidianos como desinfectantes, funcionaron mejor cuando se mezclaron con acetonitrilo, un líquido claro y conductor a menudo utilizado en la industria.

Mejora en la fabricación de baterías de concreto

Anteriormente, el método utilizado tenía que curar los electrodos ec³ y luego sumergirlos en electrolito. En cambio, descubrieron que podían agregar el electrolito directamente al agua de mezcla.

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

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

Funcionando 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 concreto comenzaba a dañarse y el almacenamiento de electricidad fallaba.

Esto hace evidente el daño estructural a pesar de no haber grietas visibles. Esta capacidad podría ser muy útil en edificios de la vida real.

“Puede haber una especie de capacidad de autovigilancia aquí. Si pensamos en un arco ec³ a escala arquitectónica, su salida puede fluctuar cuando se ve afectado por un estrés como vientos fuertes.

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

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

Concreto de autocalentamiento

Este diseño de concreto no solo puede almacenar energía, sino que también tiene una conductividad térmica más alta. Como resultado, puede ayudar a derretir el hielo depositado en él, y ya se ha utilizado para este propósito en Sapporo, Japón, lo que representa una posible alternativa a la sal.

La energía almacenada y luego realizada en forma de calor también podría usarse para derretir el hielo en carreteras, aceras y caminos para peatones.

El futuro de las baterías de concreto y el almacenamiento de energía

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

Sin embargo, si vamos a ampliar el almacenamiento de baterías para alimentar por completo la civilización industrializada con energía solar, un material más ubicuo como el concreto podría ser ideal.

En primer lugar, utiliza incluso menos materiales raros, ya que incluso las baterías de química alternativa aún requieren mucha cantidad de cobre, por ejemplo.

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

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

Dado que el concreto resultante tiene la misma integridad estructural que el concreto normal, podría tener sentido usarlo en su lugar, y evitar completamente la necesidad de espacio y procedimientos de construcción adicionales de parques de baterías.

“Al combinar la nanociencia moderna con un bloque de construcción antiguo de la civilización, estamos abriendo una puerta a la infraestructura que no solo apoya nuestra vida, sino que la alimenta.”

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

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