Energía
Condensadores de hormigón: el futuro del almacenamiento de energía
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Almacenamiento de energía en condensadores de hormigón
En lo que respecta al almacenamiento de energía, toda la atención se centra en las baterías. Si bien durante un tiempo se centró principalmente en la tecnología de iones de litio, en constante mejora, ahora también se están desarrollando o comercializando baterías de iones de sodio, de estado sólido y de otros tipos de químicas alternativas.
En todos los casos, estas baterías almacenan electricidad en forma química, generalmente utilizando iones metálicos para transportar el cambio de carga eléctrica.
Fuente: Hablemos de ciencia
Sin embargo, esta no es la única forma de almacenar electricidad. Otra opción es usar 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: Sinovoltaica
Esta diferencia fundamental en el concepto de almacenamiento de energía cambia el funcionamiento de los condensadores en comparación con las baterías. Dado que la energía está disponible en la superficie del material, puede movilizarse con gran rapidez, lo que permite ciclos de carga y descarga ultrarrápidos, mientras que las baterías se ralentizan debido a la velocidad de las reacciones químicas requeridas.
Hasta ahora, los condensadores han sido principalmente un producto de nicho, ya que retienen menos carga que las baterías y suelen ser más caros, ya que requieren materiales más caros.
Esto podría estar cambiando gracias al desarrollo de condensadores basados en hormigón por parte de cuatro investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que en última instancia podrían utilizarse 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) bajo el título “Supercondensadores de cemento de carbono de alta densidad energética para el almacenamiento de energía arquitectónica.
Aplicaciones de los condensadores
La baja carga de los condensadores en comparación con las baterías ha dificultado hasta ahora su uso para el almacenamiento de energía en grandes cantidades o a largo plazo, a pesar de su notable durabilidad.
Sin embargo, su capacidad para soportar cambios muy rápidos en la carga eléctrica y voltajes mucho más altos, sin sufrir ningún daño, los hace útiles para aplicaciones donde se produce o se necesita mucha energía a la vez.
Por ejemplo, los supercondensadores se utilizan en automóviles, trenes, grúas y ascensores para el almacenamiento de energía a corto plazo, el frenado regenerativo o el suministro de energía en modo ráfaga.
Si bien la energía total no es necesariamente tan alta, la intensidad y la velocidad sí lo son.
En el caso de las redes eléctricas y las aplicaciones de almacenamiento de energía, los supercondensadores son más eficaces para cubrir brechas de energía que duran desde unos pocos segundos hasta unos pocos minutos y pueden recargarse rápidamente.
Mejora de los condensadores basados en hormigón
Fabricar hormigón almacena energía
En el caso de las baterías, la diferencia de energía entre las diferentes reacciones electroquímicas y la cantidad de metal reactivo disponible generalmente limita la capacidad.
En el caso de los condensadores, la principal limitación es la superficie total del material. Por lo tanto, generalmente, los materiales más porosos transportarán mucha más carga.
Por este motivo, los materiales heterogéneos (compuestos por múltiples elementos) suelen ser los mejores, así como cualquier material que sea resultado de la polimerización de materiales más simples, con muchos poros y alvéolos en su interior.
Ya en 2023, los investigadores del MIT habían explorado el potencial del hormigón, un material con una estructura microscópica compleja que, en teoría, podría convertirse en un condensador.
Esto se logró utilizando cemento, agua, negro de humo ultrafino (con partículas nanométricas) y electrolitos. Juntos, crearon el llamado hormigón de carbono conductor de electrones (ec³, que se pronuncia "ec-cubed").
ec³ contiene una “nanored de carbono” dentro del hormigón que puede almacenar y conducir electricidad.
Abundancia de hormigón
El cemento y el hormigón son, con diferencia, los materiales más producidos en la Tierra, alcanzando volúmenes y masas totales de 1.7 millones de metros cúbicos y 4.1 millones de toneladas, más que cualquier otro material, incluidos la arena y el acero.
Fuente: Capitalista visual
Como resultado, esto significa que incluso convertir una fracción muy pequeña del hormigón 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 hormigón es el desarrollo de 'hormigón multifuncional', que integra funcionalidades como el almacenamiento de energía, la auto-sanación y secuestro de carbón.
El hormigón ya es el material de construcción más utilizado en el mundo, así que ¿por qué no aprovechar esa escala para crear otros beneficios?”
admirar masic - UnProfesor asociado de ingeniería civil y ambiental (CEE) en el MIT.
Mejorando el rendimiento de ec³
Aumentar la densidad energética
El prototipo original de 2023 tenía una densidad energética suficiente para que 45 metros cúbicos de ec³, aproximadamente la cantidad de hormigón utilizada en un sótano típico, fueran suficientes para satisfacer las necesidades diarias de una casa promedio.
Si bien es interesante, cuestiones de costos y practicidad hicieron que este número no fuera realmente utilizable comercialmente.
Las nuevas versiones del producto de los investigadores pueden almacenar la misma cantidad de energía en 1/9th el volumen, o sólo 5 metros cúbicos (176 pies cúbicos).
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| Tecnología | Densidad de energia | Velocidad de carga/descarga | Vida útil | Materiales clave |
|---|---|---|---|---|
| Batería de iones de litio | 150–250 Wh/kg | Minutos–horas | ~2,000 ciclos | Litio, cobalto, níquel |
| Supercondensador | 5–10 Wh/kg | Segundos | > 1,000,000 ciclos | Carbón activado |
| Condensador de hormigón (ec³) | ~50 Wh/kg (proyectado) | Segundos–minutos | > 100,000 ciclos | Cemento, negro de humo, electrolito |
Análisis en profundidad
Este mayor rendimiento se logró mediante el uso de un haz de iones enfocado para eliminar secuencialmente capas delgadas del material ec³. Estas capas se analizaron posteriormente con un microscopio electrónico de barrido (tomografía FIB-SEM).
Esto permitió a los investigadores reconstruir una imagen de alta resolución de la nanored conductora. Descubrieron que forma una red fractal que rodea los poros ec³, lo que permite la infiltración del electrolito y el flujo de corriente a través del sistema.
Con esta herramienta analítica superior, el equipo de investigación pasó a experimentar con diferentes electrolitos y sus concentraciones para ver cómo impactaban en la densidad de almacenamiento de energía.
“Descubrimos que existe una amplia gama de electrolitos que podrían ser candidatos viables para ec³.
Esto incluye incluso agua de mar, lo que podría convertirlo en un buen material para su uso en aplicaciones costeras y marinas, quizás como estructuras de soporte para parques eólicos marinos”.
Midieron que los electrolitos orgánicos, especialmente aquellos que combinaban sales de amonio cuaternario presentes en productos cotidianos como los desinfectantes, funcionaban mejor cuando se mezclaban con acetonitrilo, un líquido transparente y conductor que se usa a menudo en la industria.
Mejor fabricación de baterías de hormigón
Anteriormente, el método utilizado requería curar los electrodos ec³ y luego sumergirlos en electrolito. En su lugar, descubrieron que podían agregar el electrolito directamente al agua de mezcla.
Esto fue esencial para fabricar electrodos más gruesos que almacenaban más energía.
Como demostración de esta tecnología, el equipo construyó un arco de hormigón ec³ en miniatura para mostrar cómo la forma estructural y el almacenamiento de energía pueden trabajar juntos.
Al funcionar a 9 voltios, el arco soportaba su propio peso y carga adicional mientras alimentaba una luz LED.
Monitoreo automático de la integridad estructural
Se produjo un fenómeno sorprendente al aumentar la carga en el arco de prueba. En un momento dado, la luz empezó a parpadear, lo que indicaba que el hormigón empezaba a dañarse y el sistema de almacenamiento de electricidad estaba fallando.
Esto hace evidentes los daños estructurales a pesar de no presentar grietas visibles. Esta capacidad podría ser muy útil en edificios reales.
Podría existir una especie de capacidad de automonitoreo. Si consideramos un arco ec³ a escala arquitectónica, su producción puede fluctuar cuando se ve afectado por un factor estresante como vientos fuertes.
Podríamos utilizar esto como señal de cuándo y en qué medida una estructura está estresada, o monitorear su salud general en tiempo real”.
admirar masic - UnProfesor asociado de ingeniería civil y ambiental (CEE) en el MIT.
Hormigón autocalentable
Este diseño de hormigón no solo puede almacenar energía, sino que también presenta una mayor conductividad térmica. Por lo tanto, puede ayudar a derretir el hielo depositado sobre él, y ya se ha utilizado para este fin en Sapporo, Japón, lo que representa una posible alternativa a la salinización.
La energía almacenada y luego transformada en forma de calor también podría usarse para derretir el hielo en carreteras, aceras y senderos.
El futuro de las baterías de hormigón y el almacenamiento de energía
Hasta ahora, las baterías a gran escala se han imaginado principalmente como baterías de calor, de almacenamiento de hidrógeno o baterías que utilizan materiales de bajo costo como sodio, hierro o aluminio, para reemplazar las baterías de iones de litio más caras (litio, cobalto y níquel).
Sin embargo, si queremos ampliar el almacenamiento de baterías para alimentar completamente a la civilización industrializada con energía solar, un material más omnipresente como el hormigón podría ser ideal.
En primer lugar, se utilizan materiales aún menos raros, ya que incluso las baterías de química alternativa todavía requieren mucho cobre, por ejemplo.
En segundo lugar, también podría incorporarse de forma más fluida a los paisajes y construcciones urbanas cotidianas.
El equipo ya está trabajando en aplicaciones como espacios de estacionamiento y carreteras que podrían cargar vehículos eléctricos, así como hogares que podrían funcionar completamente fuera de la red.
Como el hormigón resultante tiene la misma integridad estructural que el hormigón normal, podría tener sentido utilizarlo en su lugar y evitar por completo la necesidad de espacio adicional y el procedimiento de construcción de parques de baterías.
“Al combinar la nanociencia moderna con un antiguo elemento fundamental de la civilización, abrimos la puerta a una infraestructura que no solo sustenta nuestras vidas, sino que las impulsa”.
admirar masic - UnProfesor asociado de ingeniería civil y ambiental (CEE) en el MIT.
Invertir en cemento sostenible
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(CRH )
