Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han realizado un estudio que muestra que el cemento y el negro de carbón (que se asemeja a un carbón en polvo) pueden formar la base de un sistema de almacenamiento de energía novedoso y de bajo costo. La tecnología podría facilitar el uso de fuentes de energía renovables, como la energía solar, eólica y mareomotriz, al permitir que las redes de energía se mantengan estables a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable.
Los dos materiales se pueden combinar con agua para hacer un supercondensador, que podría proporcionar almacenamiento de energía eléctrica. La clave de los nuevos supercondensadores proviene de un método de producción de un material a base de cemento con un área de superficie interna extremadamente alta debido a una red densa e interconectada de material conductor dentro de su volumen total.
Los investigadores lograron introducir negro de carbón, que es altamente conductivo, en una mezcla de concreto junto con polvo de cemento y agua, y dejándolo curar. El agua forma naturalmente una red ramificada de aberturas dentro de la estructura cuando reacciona con el cemento, y el carbono migra a estos espacios para formar estructuras parecidas a alambres dentro del cemento endurecido.
Posteriormente, el material se sumerge en un material electrolítico estándar, como cloruro de potasio, un tipo de sal, que proporciona las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono. Dos electrodos hechos de este material, separados por un espacio delgado o una capa aislante, forman un supercondensador.
Las dos placas del capacitor funcionan como los dos polos de una batería recargable de voltaje equivalente: cuando se conecta a una fuente de electricidad, como con una batería, la energía se almacena en las placas y luego, cuando se conecta a una carga, la electricidad fluye hacia afuera para proporcionar energía.
A medida que la mezcla fragua y cura, el agua se consume sistemáticamente a través de las reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación afecta fundamentalmente a las nanopartículas de carbono porque son hidrófobas (repelentes al agua). Cuando evoluciona la mezcla, el negro de carbón se autoensambla en un cable conductor conectado.
Altas capacidades de almacenamiento energético
El equipo calculó que un bloque de hormigón dopado con negro de nanocarbono de 45 metros cúbicos de tamaño, equivalente a un cubo de unos 3,5 metros de ancho, tendría capacidad suficiente para almacenar unos 10 kW/h de energía, que es considerado el uso diario promedio de electricidad para un hogar. Dado que el hormigón conservaría su resistencia, una casa con cimientos hechos de este material podría almacenar el valor de un día de energía producida por paneles solares o aerogeneradores y permitir que se use cuando sea necesario. Además, los supercondensadores pueden cargarse y descargarse mucho más rápido que las baterías.
Después de una serie de pruebas, el equipo demostró el proceso mediante la fabricación de pequeños supercondensadores, del tamaño de algunas pilas de botón, de aproximadamente 1 centímetro de ancho y 1 milímetro de espesor, que podrían cargarse a 1 voltio, comparable a una batería de 1 voltio. Luego conectaron tres de estos para demostrar su capacidad para encender un LED de 3 voltios. Habiendo probado el principio, ahora planean construir una serie de versiones más grandes, comenzando con unas del tamaño de una batería de automóvil típica de 12 voltios y hasta una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad para almacenar una casa.
Aplicaciones del nuevo sistema
Asimismo, los investigadores descubrieron que, al agregar más negro de carbón, el supercondensador resultante puede almacenar más energía, pero el concreto es un poco más débil, y esto podría ser útil para aplicaciones donde no juega un papel estructural o donde no se requiere todo el potencial de resistencia. Para aplicaciones como cimientos o elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el punto óptimo es alrededor del 10% de negro de carbón en la mezcla.
Otra aplicación potencial de los supercondensadores de cemento de carbono es la construcción de carreteras de hormigón que podrían almacenar la energía producida por los paneles solares a lo largo de la carretera y entregar esa energía a los vehículos eléctricos que viajan por la carretera utilizando el mismo tipo de tecnología que se utiliza para los teléfonos inalámbricos recargables.
Los usos iniciales de la tecnología podrían ser para casas o edificios aislados o refugios lejos de la red eléctrica, que podrían ser alimentados por paneles solares conectados a los supercondensadores de cemento. Dependiendo de las propiedades deseadas para una aplicación determinada, el sistema podría optimizarse ajustando la mezcla.