Capacitores de Concreto: O Futuro do Armazenamento de Energia

Armazenando Energia em Capacitores de Concreto

Quando se trata de armazenamento de energia, toda a atenção está concentrada em baterias. Enquanto por um tempo foi principalmente sobre a tecnologia de íon-lítio em melhoria contínua, agora íon-sódio, estado sólido e outros tipos de químicas de bateria alternativas também estão sendo desenvolvidas ou alcançando o estágio comercial.

Em todos os casos, essas baterias armazenam eletricidade em uma forma química, geralmente usando íons metálicos para transportar a mudança de carga elétrica.

Fonte: Let’s Talk Science

Isso, no entanto, não é a única maneira de armazenar eletricidade. Outra opção é usar um supercapacitor.

Ao contrário das baterias que armazenam a carga elétrica em uma massa de íons metálicos, supercapacitores e ultracapacitores mantêm a carga elétrica na superfície de um material condutor.

Fonte: Sinovoltaics

Essa diferença fundamental no conceito de armazenamento de energia muda como os capacitores funcionam em comparação com as baterias. Como a energia está disponível na superfície do material, ela pode ser mobilizada muito rapidamente, permitindo ciclos de carregamento e descarregamento ultra-rápidos, enquanto as baterias são retardadas pela velocidade das reações químicas necessárias.

Os capacitores até agora têm sido principalmente um produto de nicho, pois armazenam menos carga do que as baterias e são frequentemente mais caros, pois requerem materiais mais caros.

Isso pode estar mudando, com o desenvolvimento de capacitores baseados em concreto por quatro pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), que poderiam ser usados para transformar edifícios e estradas em baterias gigantes.

Eles publicaram seu projeto mais recente no prestigiado jornal científico Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) com o título “High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage”.

Aplicações de Capacitores

A carga baixa dos capacitores em comparação com as baterias tem limitado seu uso para armazenamento de energia em grande escala ou de longo prazo, apesar de sua notável durabilidade.

No entanto, sua capacidade de lidar com mudanças muito rápidas na carga elétrica e em altas tensões, sem sofrer danos, os torna úteis para aplicações onde uma grande quantidade de energia é produzida ou necessária de uma vez.

Por exemplo, supercapacitores são usados em automóveis, trens, guindastes e elevadores para armazenamento de energia de curto prazo, frenagem regenerativa ou entrega de potência em modo de explosão.

Embora a energia total não seja necessariamente alta, a intensidade e a velocidade são.

Para redes de energia e aplicações de armazenamento de energia, supercapacitores são mais eficazes em pontes de lacunas de energia que duram de alguns segundos a alguns minutos e podem ser recarregados rapidamente.

Melhorando os Capacitores de Concreto

Tornando o Concreto em Armazenamento de Energia

Para as baterias, a diferença de energia entre as diferentes reações eletroquímicas e a quantidade de metal reativo disponível geralmente limita a capacidade.

Para os capacitores, a principal limitação é a superfície total do material. Portanto, geralmente os materiais mais porosos carregam mais carga.

Por essa razão, materiais heterogêneos (feitos de vários elementos) são frequentemente os melhores, bem como qualquer material que seja o resultado da polimerização de materiais mais simples, com muitos poros e alvéolos internos.

Já em 2023, os pesquisadores do MIT exploraram o potencial do concreto, um material com uma estrutura microscópica complexa que poderia, em teoria, ser transformado em um capacitor.

Isso foi alcançado usando cimento, água, carbono preto ultrafino (com partículas nanométricas) e eletrólitos. Juntos, eles criaram o chamado concreto de carbono condutor de elétrons (ec³, pronunciado “e-c-cúbico”).

ec³ contém uma “rede nanométrica de carbono” dentro do concreto que pode armazenar e conduzir eletricidade.

Abundância de Concreto

Cimento e concreto são, de longe, os materiais mais produzidos na Terra, atingindo volumes e massas totais de 1,7 bilhão de metros cúbicos e 4,1 bilhões de toneladas, superando qualquer outro material, incluindo areia e aço.

Fonte: Visual Capitalist

Como resultado, isso significa que mesmo transformar uma fração muito pequena do concreto do mundo em armazenamento de energia poderia mudar radicalmente como armazenamos energia em nossas casas, escritórios e cidades.

“Uma chave para a sustentabilidade do concreto é o desenvolvimento de ‘concreto multifuncional’, que integra funcionalidades como este armazenamento de energia, autocura e sequestro de carbono.

O concreto já é o material de construção mais usado do mundo, então por que não aproveitar essa escala para criar outros benefícios?”

Admir Masic – Professor associado de engenharia civil e ambiental (CEE) do MIT.

Melhorando o Desempenho do ec³

Aumentando a Densidade de Energia

O protótipo original de 2023 era denso o suficiente para que 45 metros cúbicos de ec³, aproximadamente a quantidade de concreto usada em um porão típico, fossem suficientes para atender às necessidades diárias da casa média.

Embora interessante, questões de custo e praticidade tornaram esse número não realmente comercialmente viável.

As novas versões do produto podem armazenar a mesma quantidade de energia em 1/9 do volume, ou apenas 5 metros cúbicos (176 pés cúbicos).
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Análise Aprofundada

Esse desempenho melhorado foi alcançado usando um feixe de íons focalizado para remover camadas finas sequenciais do material ec³. Essas camadas foram então analisadas com um microscópio eletrônico de varredura (tomografia FIB-SEM).

Isso permitiu que os pesquisadores reconstruíssem uma imagem de alta resolução da rede nanométrica condutora. Eles descobriram que forma uma “teia fractal” que rodeia os poros do ec³, o que permite que o eletrólito infiltre e que a corrente flua pelo sistema.

Com essa ferramenta analítica superior, a equipe de pesquisa prosseguiu experimentando com diferentes eletrólitos e suas concentrações para ver como elas impactavam a densidade de armazenamento de energia.

“Descobrimos que há uma ampla gama de eletrólitos que poderiam ser candidatos viáveis para o ec³.

Isso inclui até mesmo água do mar, o que poderia tornar esse material adequado para uso em aplicações costeiras e marítimas, talvez como estruturas de suporte para parques eólicos offshore.”

Damian Stefaniuk – Cientista de pesquisa do EC³ Hub

Eles mediram que eletrólitos orgânicos, especialmente aqueles que combinam sais de amônio quaternário encontrados em produtos cotidianos como desinfetantes, performaram melhor quando misturados com acetonitrila, um líquido claro e condutor frequentemente usado na indústria.

Melhor Fabricação de Baterias de Concreto

Anteriormente, o método usado tinha que curar os eletrodos do ec³ e, em seguida, mergulhá-los no eletrólito. Em vez disso, eles descobriram que podiam adicionar o eletrólito diretamente à água de mistura.

Isso foi essencial para moldar eletrodos mais grossos que armazenavam mais energia.

Como demonstração dessa tecnologia, a equipe construiu um arco de concreto miniatura para mostrar como a forma estrutural e o armazenamento de energia podem funcionar juntos.

Operando a 9 volts, o arco suportou seu próprio peso e carga adicional enquanto alimentava uma luz LED.

Monitoramento Automático da Integridade Estrutural

Um fenômeno surpreendente ocorreu quando eles aumentaram a carga no arco de teste. Em algum ponto, a luz começou a piscar, refletindo o concreto começando a danificar e o armazenamento de eletricidade falhando.

Isso torna aparente o dano estrutural apesar de não haver fissuras visíveis. Tal capacidade poderia ser muito útil em edifícios reais.

“Pode haver uma capacidade de auto-monitoramento aqui. Se pensarmos em um arco ec³ em escala arquitetônica, sua saída pode flutuar quando for impactado por um estressor como ventos fortes.

Podemos usar isso como um sinal de quando e em que medida uma estrutura está estressada, ou monitorar sua saúde geral em tempo real.”

Admir Masic – Professor associado de engenharia civil e ambiental (CEE) do MIT.

Concreto Auto-Aquecimento

Esse design de concreto não apenas pode armazenar energia, mas também tem uma condutividade térmica mais alta. Como resultado, pode ajudar a derreter o gelo depositado sobre ele e já foi usado para esse propósito em Sapporo, Japão, representando uma alternativa potencial ao sal.

A energia armazenada e, em seguida, realizada na forma de calor também pode ser usada para derreter o gelo em estradas, calçadas e caminhos.

O Futuro das Baterias de Concreto e Armazenamento de Energia

Até agora, baterias de escala de utilidade foram principalmente imaginadas como baterias de calor, armazenamento de hidrogênio ou baterias que usam materiais de baixo custo como sódio, ferro ou alumínio, para substituir o lítio/cobalto/níquel mais caro das baterias de íon-lítio.

No entanto, se estamos para ampliar o armazenamento de bateria para alimentar completamente a civilização industrializada com energia solar, um material mais ubíquo como o concreto poderia ser ideal.

Primeiro, ele usa ainda menos materiais raros, pois até as baterias de química alternativa ainda requerem muito cobre, por exemplo.

Em segundo lugar, ele também poderia ser mais facilmente incorporado em paisagens urbanas e construções cotidianas.

A equipe já está trabalhando em aplicações como estacionamentos e estradas que poderiam carregar veículos elétricos, bem como casas que possam operar totalmente fora da rede.

Como o concreto resultante tem a mesma integridade estrutural que o concreto normal, poderia fazer sentido usá-lo em vez disso e completamente evitar a necessidade de espaço e procedimento de construção de parques de baterias.

“Ao combinar a nanociência moderna com um bloco de construção antigo da civilização, estamos abrindo uma porta para infraestrutura que não apenas suporta nossas vidas, mas as alimenta.”

Admir Masic – Professor associado de engenharia civil e ambiental (CEE) do MIT.

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