Condensatori di Calcestruzzo: Il Futuro dello Stoccaggio di Energia

Stoccaggio di Energia nei Condensatori di Calcestruzzo

Quando si parla di accumulo di energia, tutta l’attenzione si concentra sulle batterie. Per un certo periodo l’interesse si è rivolto soprattutto alla tecnologia agli ioni di litio, in continuo miglioramento; oggi si stanno sviluppando o stanno raggiungendo la fase commerciale anche batterie agli ioni di sodio, allo stato solido e altre chimiche alternative.

In tutti i casi, queste batterie immagazzinano l’elettricità in forma chimica, generalmente utilizzando ioni metallici per trasportare la variazione di carica elettrica.

Questo, tuttavia, non è l’unico modo per immagazzinare elettricità. Un’altra possibilità è utilizzare un supercondensatore.

A differenza delle batterie, che immagazzinano la carica elettrica in una massa di ioni metallici, i supercondensatori e gli ultracondensatori trattengono la carica sulla superficie di un materiale conduttivo.

Questa differenza fondamentale nel concetto di accumulo cambia il funzionamento dei condensatori rispetto alle batterie. Poiché l’energia è disponibile sulla superficie del materiale, può essere mobilitata molto rapidamente, consentendo cicli di carica e scarica ultraveloci; le batterie, invece, sono rallentate dalla velocità delle reazioni chimiche necessarie.

Finora i condensatori sono rimasti soprattutto un prodotto di nicchia, perché trattengono meno carica delle batterie e sono spesso più costosi, dato che richiedono materiali più cari.

La situazione potrebbe cambiare grazie ai condensatori a base di calcestruzzo sviluppati da quattro ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che potrebbero infine trasformare edifici e strade in gigantesche batterie.

I ricercatori hanno pubblicato il progetto più recente sulla prestigiosa rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), con il titolo “Supercondensatori carbonio-cemento ad alta densità energetica per l’accumulo energetico architettonico”.

Applicazioni dei Condensatori

La carica inferiore dei condensatori rispetto alle batterie ne ha finora limitato l’impiego nell’accumulo di energia su larga scala o di lunga durata, nonostante la loro notevole resistenza.

Tuttavia, la capacità di gestire variazioni molto rapide della carica elettrica e tensioni molto più elevate senza subire danni li rende utili nelle applicazioni in cui viene prodotta o richiesta molta energia in una sola volta.

Per esempio, i supercondensatori vengono impiegati in automobili, treni, gru e ascensori per l’accumulo energetico di breve durata, la frenata rigenerativa o l’erogazione di picchi di potenza.

L’energia totale non è necessariamente molto elevata, ma lo sono l’intensità e la velocità.

Nelle reti elettriche e nelle applicazioni di accumulo, i supercondensatori sono particolarmente efficaci nel colmare vuoti di potenza che durano da pochi secondi a qualche minuto e possono essere ricaricati rapidamente.

Migliorare i Condensatori a Base di Calcestruzzo

Far sì che il Calcestruzzo Conservi Energia

Nelle batterie, la differenza energetica tra le varie reazioni elettrochimiche e la quantità disponibile di metallo reattivo limitano generalmente la capacità.

Nei condensatori, il limite principale è la superficie totale del materiale. In generale, quindi, i materiali più porosi possono immagazzinare molta più carica.

Per questo motivo, i materiali eterogenei (composti da più elementi) sono spesso i più adatti, così come i materiali derivati dalla polimerizzazione di sostanze più semplici, con numerosi pori e alveoli al loro interno.

Già nel 2023, i ricercatori del MIT avevano esplorato il potenziale del calcestruzzo, un materiale dalla struttura microscopica complessa che, in teoria, potrebbe essere trasformato in un condensatore.

Il risultato è stato ottenuto utilizzando cemento, acqua, nerofumo ultrafine (con particelle su scala nanometrica) ed elettroliti. Insieme, questi componenti hanno creato il cosiddetto calcestruzzo al carbonio elettricamente conduttivo (ec³, pronunciato “e-c-cubed”).

L’ec³ contiene nel calcestruzzo una “nanorete di carbonio” capace di immagazzinare e condurre elettricità.

Abbondanza del Calcestruzzo

Cemento e calcestruzzo sono di gran lunga i materiali più prodotti sulla Terra, con un volume complessivo di 1,7 miliardi di metri cubi e una massa di 4,1 miliardi di tonnellate, superiori a qualsiasi altro materiale, compresi sabbia e acciaio.

Di conseguenza, trasformare in accumulo energetico anche solo una piccolissima frazione del calcestruzzo mondiale potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui immagazziniamo energia in case, uffici e città.

“Una chiave per la sostenibilità del calcestruzzo è lo sviluppo del ‘calcestruzzo multifunzionale’, che integra funzioni come questo accumulo di energia, l’autoriparazione e il sequestro del carbonio.

Il calcestruzzo è già il materiale da costruzione più utilizzato al mondo; perché non sfruttare questa scala per creare altri vantaggi?”

Admir Masic – Professore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT

Migliorare le Prestazioni di ec³

Aumentare la Densità Energetica

Il prototipo originale del 2023 aveva una densità energetica sufficiente perché 45 metri cubi di ec³—circa la quantità di calcestruzzo impiegata in un normale seminterrato—coprissero il fabbisogno giornaliero di una casa media.

Pur essendo interessante, questo valore non era realmente utilizzabile a livello commerciale a causa dei costi e delle difficoltà pratiche.

Le nuove versioni del prodotto possono immagazzinare la stessa quantità di energia in un nono del volume, cioè in appena 5 metri cubi (176 piedi cubi).
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Analisi Approfondita

Queste prestazioni superiori sono state ottenute utilizzando un fascio ionico focalizzato per rimuovere in sequenza sottili strati di materiale ec³. Gli strati sono stati poi analizzati con un microscopio elettronico a scansione (tomografia FIB-SEM).

Ciò ha permesso ai ricercatori di ricostruire un’immagine ad alta risoluzione della nanorete conduttiva. Hanno scoperto che forma una “rete simile a un frattale” attorno ai pori dell’ec³, consentendo all’elettrolita di infiltrarsi e alla corrente di attraversare il sistema.

Grazie a questo strumento analitico superiore, il gruppo ha sperimentato diversi elettroliti e concentrazioni per valutarne l’effetto sulla densità di accumulo energetico.

“Abbiamo scoperto che esiste un’ampia gamma di elettroliti potenzialmente adatti all’ec³.

Tra questi rientra persino l’acqua di mare, che potrebbe rendere il materiale utile nelle applicazioni costiere e marine, per esempio come struttura di sostegno dei parchi eolici offshore”.

Damian Stefaniuk – Ricercatore dell’EC³ Hub

Le misurazioni hanno mostrato che gli elettroliti organici, in particolare quelli che combinavano sali di ammonio quaternario presenti in prodotti di uso comune come i disinfettanti, funzionavano meglio se mescolati con acetonitrile, un liquido limpido e conduttivo molto utilizzato nell’industria.

Produzione Migliorata di Batterie di Calcestruzzo

In precedenza, il metodo richiedeva di far indurire gli elettrodi ec³ e poi immergerli nell’elettrolita. I ricercatori hanno invece scoperto di poter aggiungere l’elettrolita direttamente all’acqua d’impasto.

Questo passaggio è stato essenziale per realizzare elettrodi più spessi, capaci di immagazzinare più energia.

Per dimostrare la tecnologia, il gruppo ha costruito un arco in miniatura di calcestruzzo ec³, mostrando come forma strutturale e accumulo energetico possano funzionare insieme.

Operando a 9 volt, l’arco sosteneva il proprio peso e un carico aggiuntivo mentre alimentava una luce LED.

Monitoraggio Automatico dell’Integrità Strutturale

Un fenomeno inatteso si è verificato aumentando la carica sull’arco di prova. A un certo punto, la luce ha iniziato a tremolare, segnalando che il calcestruzzo cominciava a danneggiarsi e l’accumulo elettrico a cedere.

Questo rende evidente il danno strutturale anche in assenza di crepe visibili. Una simile capacità potrebbe essere estremamente utile negli edifici reali.

“Potrebbe esistere una sorta di capacità di automonitoraggio. Se immaginiamo un arco ec³ in scala architettonica, la sua uscita potrebbe oscillare quando è sottoposto a sollecitazioni come venti forti.

Potremmo usare questa variazione come segnale di quando e in quale misura una struttura è sotto sforzo, oppure monitorarne lo stato complessivo in tempo reale”.

Admir Masic – Professore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT

Calcestruzzo Autoriscaldante

Questo tipo di calcestruzzo non solo può immagazzinare energia, ma possiede anche una maggiore conduttività termica. Può quindi contribuire a sciogliere il ghiaccio depositato sulla superficie ed è già stato utilizzato a tale scopo a Sapporo, in Giappone, come possibile alternativa al sale.

L’energia immagazzinata e poi rilasciata sotto forma di calore potrebbe inoltre essere usata per sciogliere il ghiaccio su strade, marciapiedi e percorsi pedonali.

Il Futuro delle Batterie di Calcestruzzo e dello Stoccaggio di Energia

Finora le batterie su scala di rete sono state concepite soprattutto come batterie termiche, sistemi di accumulo dell’idrogeno o batterie basate su materiali economici come sodio, ferro e alluminio, in sostituzione di litio, cobalto e nichel, più costosi, delle batterie agli ioni di litio.

Tuttavia, se vogliamo espandere l’accumulo a batteria fino ad alimentare interamente la civiltà industrializzata con energia solare, un materiale onnipresente come il calcestruzzo potrebbe essere ideale.

Innanzitutto utilizza materiali ancora meno rari, poiché persino le batterie con chimiche alternative richiedono tuttora, per esempio, grandi quantità di rame.

In secondo luogo, potrebbe essere integrato molto più facilmente nei paesaggi urbani e nelle costruzioni di ogni giorno.

Il gruppo sta già lavorando ad applicazioni come parcheggi e strade capaci di ricaricare veicoli elettrici, nonché abitazioni in grado di funzionare completamente fuori rete.

Poiché il calcestruzzo ottenuto possiede la stessa integrità strutturale di quello tradizionale, potrebbe essere utilizzato direttamente al suo posto, eliminando la necessità di spazio aggiuntivo e delle procedure costruttive richieste dai parchi di batterie.

“Combinando la moderna nanoscienza con un antico elemento costitutivo della civiltà, apriamo la strada a infrastrutture che non si limitano a sostenere la nostra vita, ma la alimentano”.

Admir Masic – Professore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT

Investire nel Cemento Sostenibile

In qualità di uno dei leader mondiali nella produzione di cemento, CRH avrà un ruolo determinante nel rendere l’edilizia in cemento un settore più sostenibile. È al primo posto per volume totale di materiali da costruzione forniti sia sul mercato statunitense sia su quello europeo.

L’azienda è attiva in 28 Paesi e 3.390 sedi, impiega 78.500 persone e CRH Americas genera il 65% delle vendite globali.

L’azienda prevede che la forte spesa infrastrutturale dei governi occidentali sosterrà la crescita dell’attività. Dovrebbero contribuire anche le tendenze di reindustrializzazione e rilocalizzazione della produzione ad alta tecnologia.

Strategia di Sostenibilità e Decarbonizzazione di CRH

CRH ha compiuto importanti progressi nella sostenibilità attraverso una serie di iniziative:

• È la principale azienda di riciclo del Nord America, con 43,9 milioni di tonnellate di rifiuti e sottoprodotti di altri settori riciclati nel 2023.
• Nel 2023 ha ridotto le emissioni di CO2 dell’8%, grazie all’impiego del 36% di combustibili alternativi nei cementifici.
• Punta a ridurre le emissioni del 30% entro il 2030 rispetto ai livelli del 2021.

Si tratta di risultati lodevoli, ma potrebbero essere considerati insufficienti e tardivi.

Fortunatamente CRH promuove anche cambiamenti più radicali nel settore. In particolare, ha investito $75 milioni nella società di cemento a basse emissioni Sublime insieme al colosso europeo Holcim.

Sublime Systems è nata come spin-off del MIT nel 2020 per utilizzare un elettrolizzatore nella produzione di cemento a temperatura ambiente, sostituendo i forni ad alto consumo energetico e di combustibili fossili. Consente inoltre di usare fonti di calcio come materia prima, evitando il rilascio di CO2 dal calcare.

Il primo impianto commerciale di Sublime a Holyoke, nel Massachusetts, dovrebbe aprire già nel 2026. Se avrà successo, potrebbe cambiare davvero le regole del gioco per l’industria del cemento e aprire la strada a calcestruzzo a basse emissioni prodotto su larga scala.

“Sublime è una forza dirompente nella produzione del cemento. La sua tecnologia unica interviene sull’intero processo, dall’uso di elettricità pulita alle materie prime prive di carbonio. Siamo entusiasti del suo potenziale e lieti di collaborare per portarla sul mercato su larga scala. L’investimento è pienamente in linea con la strategia di Holcim volta ad accelerare la decarbonizzazione delle costruzioni ampliando le tecnologie più innovative”.

Nollaig Forrest — Chief Sustainability Officer di Holcim

CRH ha investito anche in altre startup attive nella decarbonizzazione e nella sostenibilità:

• €23,7 milioni in Cool Planet Technologies, che sviluppa soluzioni di cattura del carbonio per settori tradizionalmente difficili da decarbonizzare.
• $34,7 milioni, insieme ad altri investitori, in Carbon Upcycling Technologies, che utilizza una soluzione di mineralizzazione completamente elettrica per immagazzinare permanentemente CO2 in sottoprodotti industriali e minerali, come cemento, plastica, beni di consumo, fertilizzanti e farmaci.
• AICrete, una piattaforma “ricetta come servizio” che collabora con produttori locali di calcestruzzo, ottimizza i materiali disponibili e riduce al minimo la quantità di cemento tramite analisi di IA, abbassando sia l’impronta di CO2 sia il costo di produzione.
• Il finanziamento di Serie B di FIDO AI, una startup che usa l’intelligenza artificiale per ridurre il consumo d’acqua e aumentarne il risparmio.

Nel complesso, CRH è un leader redditizio dell’industria del calcestruzzo e si sta preparando attivamente alla decarbonizzazione del settore, sia direttamente negli impianti esistenti sia come importante fornitore di capitale per startup innovative che sviluppano la prossima generazione di tecnologie per la produzione di cemento e calcestruzzo.

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