Según los especialistas, es posible transformar el cemento en un material de almacenamiento de electricidad renovable. Los hallazgos.
El alcance y el ritmo de la transición de los combustibles fósiles a una basada en energías renovables dependerá en gran medida de la disponibilidad de soluciones de almacenamiento de energía a granel para gestionar de manera efectiva los desequilibrios entre la oferta y la demanda.
En ese marco, investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) han ideado una nueva forma de almacenar electricidad en cemento, utilizando materiales baratos y abundantes. Si se aumenta la escala, el cemento podría contener suficiente energía en los cimientos de hormigón de una casa para satisfacer sus necesidades energéticas diarias. Ampliadas aún más, las carreteras electrificadas podrían impulsar a los automóviles eléctricos mientras conducen. Y si los científicos pueden encontrar una manera de hacer todo esto de manera económica, el avance podría ofrecer una capacidad casi ilimitada para almacenar energía de fuentes renovables intermitentes, como la solar y la eólica.
Hasta ahora, los dispositivos de cemento son pequeños, solo lo suficientemente grandes como para alimentar unas pocas lámparas LED. Pero ya se están realizando esfuerzos para ampliarlos. Estos nuevos elementos son una especie de batería simplificada llamada supercondensadores. Consisten en dos placas conductoras de electricidad separadas por un electrolito conductor de iones y una membrana delgada. A medida que se carga el mecanismo, los iones con carga positiva del electrolito se acumulan en una placa, mientras que los iones con carga negativa se acopian en la otra.
La cantidad de energía almacenada depende del área de superficie total de las placas conductoras del supercondensador. Durante décadas, los investigadores han intentado incorporarlos en materiales estructurales, como el hormigón utilizado en carreteras y edificios, o los compuestos de carbono usados en carrocerías de automóviles y aeronaves. A diferencia de las mejores baterías de la actualidad, los supercondensadores suelen utilizar electrolitos no inflamables, lo que los hace más seguros.
El problema con el que se toparon los especialistas del MIT al iniciar su trabajo es que el cemento, un ingrediente principal del concreto, normalmente es un mal conductor eléctrico. Entonces, en los últimos años, varios grupos han fabricado supercondensadores estructurales añadiendo formas de carbono altamente conductoras al cemento, como el grafeno o los nanotubos de carbono.
“Aunque estos funcionan bien, los ingredientes son caros y difíciles de producir en los volúmenes masivos utilizados en la industria del cemento”, señaló Franz-Josef Ulm, ingeniero civil del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y uno de los autores principales del documento.
En busca de una alternativa más económica, Ulm y sus colegas recurrieron a una forma antigua de carbón en polvo conocida como negro de carbón, que se ha utilizado desde la antigüedad como pigmento negro. Barato y abundante en todo el mundo, también es altamente conductivo. Ulm y su equipo mezclaron un pequeño porcentaje de esta substancia con polvo de cemento y agregaron agua, que se combina fácilmente con el cemento. Pero debido a que las partículas de negro de carbón la repelen, tienden a agruparse, formando largos zarcillos interconectados dentro del cemento endurecido que actúan como una red de cables.
Los especialistas cortaron este cemento alambrado en pequeñas placas, creando supercondensadores de 1 milímetro de espesor y 1 centímetro de ancho, aproximadamente del tamaño de un botón. Después de agregar una membrana, un electrolito hecho de cloruro de potasio, una sal simple, y agua, los investigadores sellaron la estructura de esta especie de sándwich. Cuando conectaron un cable a las placas y accionaron un interruptor, los supercondensadores de cemento encendieron una serie de luces LED.
Si se usara cemento negro de carbón para hacer un volumen de concreto de 45 metros cúbicos, aproximadamente la cantidad utilizada en los cimientos de una casa estándar, podría almacenar 10 kilovatios-hora de energía, suficiente para alimentar una casa promedio durante un día. Si se usara el mismo enfoque para construir rutas y caminos, estacionamientos o entradas de vehículos, el concreto electrificado podría almacenar energía renovable y entregarla a los autos eléctricos a través de cargadores inductivos.
Un enfoque podría ser enviar electricidad a la parte inferior de los automóviles a través de bobinas de cobre incrustadas en la carretera, algo parecido a como los sistemas inalámbricos cargan los teléfonos inteligentes. Esta tecnología ya se está desarrollando en Alemania y en los Países Bajos.
“Al ofrecer una alternativa más barata a las baterías más caras, el cemento electrificado también podría hacer que el almacenamiento de energía renovable sea más asequible para los países en desarrollo —dijo Admir Masic, químico del MIT y coautor de un estudio—. Esto nos coloca en un nuevo espacio para el almacenamiento de energía a precios accesibles en cualquier parte del mundo”.
Para tener éxito, los investigadores deberán ampliar las placas del tamaño de un botón. “Hacer eso no es trivial —señaló Nguyen—. A medida que los supercondensadores se hacen más grandes, su conductividad eléctrica generalmente disminuye, lo que dificulta inyectar y extraer energía de ellos. Una solución es simplemente agregar más negro de carbón a la mezcla, pero no tanto como para debilitar la integridad estructural del cemento”.
Para el hormigón estructural, los investigadores descubrieron que podían añadir hasta un 10 % de negro de humo sin comprometer demasiado su resistencia. Ulm dice que “el grupo ha patentado su tecnología y ahora está trabajando para ampliarla para que coincida con la salida de una batería de automóvil de 12 voltios”.
La investigación se completó con la participación de los especialistas Nicolas Chanut, Damian Stefaniuk y James C. Weaver.
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