Condensatori in cemento: il futuro dell'accumulo di energia

Immagazzinamento di energia nei condensatori di cemento

Quando si parla di accumulo di energia, tutta l'attenzione è concentrata sulle batterie. Mentre per un certo periodo l'attenzione si è concentrata principalmente sulla tecnologia agli ioni di litio in continuo miglioramento, ora anche batterie agli ioni di sodio, allo stato solido e altre tipologie di batterie alternative sono in fase di sviluppo o stanno raggiungendo la fase commerciale.

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

Fonte: Parliamo di scienza

Questo, tuttavia, non è l'unico modo per immagazzinare l'elettricità. Un'altra opzione è l'utilizzo di un supercondensatore.

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

Fonte: Sinovoltaics

Questa differenza fondamentale nel concetto di accumulo di energia modifica 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 ultrarapidi, mentre le batterie sono rallentate dalla velocità delle reazioni chimiche necessarie.

Finora i condensatori sono stati per lo più un prodotto di nicchia, poiché mantengono meno carica delle batterie e sono spesso più costosi, poiché richiedono materiali più pregiati.

Questa situazione potrebbe cambiare grazie allo sviluppo di condensatori in cemento da parte di quattro ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), che potrebbero in futuro essere utilizzati per trasformare edifici e strade in batterie giganti.

Hanno pubblicato il loro ultimo progetto sulla prestigiosa rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) con il titolo “Supercondensatori in cemento-carbonio ad alta densità energetica per l'accumulo di energia in ambito architettonico".

Applicazioni dei condensatori

La bassa carica dei condensatori rispetto alle batterie ha finora ostacolato il loro utilizzo per l'accumulo di energia su larga scala o a lungo termine, nonostante la loro notevole durata.

Tuttavia, la loro capacità di gestire variazioni molto rapide della carica elettrica e tensioni molto più elevate, senza subire alcun danno, li rende utili per applicazioni in cui viene prodotta o richiesta molta energia contemporaneamente.

Ad esempio, i supercondensatori vengono utilizzati nelle automobili, nei treni, nelle gru e negli ascensori per l'accumulo di energia a breve termine, la frenata rigenerativa o l'erogazione di energia in modalità burst.

Sebbene l'energia totale non sia necessariamente così elevata, l'intensità e la velocità lo sono.

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

Miglioramento dei condensatori in calcestruzzo

Il cemento immagazzina energia

Nelle batterie, la differenza di energia tra le diverse reazioni elettrochimiche e la quantità di metallo reattivo disponibile solitamente limitano la capacità.

Per i condensatori, il limite principale è la superficie totale del materiale. Quindi, in genere, i materiali più porosi trasporteranno molta più carica.

Per questo motivo, i materiali eterogenei (composti da più elementi) sono spesso i migliori, così come qualsiasi materiale che sia il risultato della polimerizzazione di materiali più semplici, con molti pori e alveoli al loro interno.

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

Questo risultato è stato ottenuto utilizzando cemento, acqua, nerofumo ultrafine (con particelle nanometriche) ed elettroliti. Insieme, hanno creato il cosiddetto calcestruzzo di carbonio conduttore di elettroni (ec³, pronunciato "ec-cube").

ec³ contiene una “nanorete di carbonio” all’interno del calcestruzzo in grado di immagazzinare e condurre elettricità.

Abbondanza di cemento

Il cemento e il calcestruzzo sono di gran lunga i materiali più prodotti sulla Terra, raggiungendo volumi e masse totali di 1.7 miliardi di metri cubi e 4.1 miliardi di tonnellate, superiori a qualsiasi altro materiale, compresi sabbia e acciaio.

Fonte: Visual capitalista

Di conseguenza, ciò significa che anche la trasformazione di una piccolissima frazione del calcestruzzo mondiale in accumulatore di energia potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui immagazziniamo l'energia nelle nostre case, nei nostri uffici e nelle nostre città.

“Una chiave per la sostenibilità del calcestruzzo è lo sviluppo di un 'calcestruzzo multifunzionale', che integra funzionalità come l'accumulo di energia, auto-guarigionee sequestro del carbonio.

Il calcestruzzo è già il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, quindi perché non sfruttare questa portata per creare altri vantaggi?

Ammiraglio Masic - Aprofessore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT.

Miglioramento delle prestazioni ec³

Aumentare la densità energetica

Il prototipo originale del 2023 aveva una densità energetica tale che 45 metri cubi di ec³, ovvero all'incirca la quantità di cemento utilizzata in un seminterrato tipico, erano sufficienti a soddisfare il fabbisogno giornaliero di una casa media.

Sebbene interessante, questioni di costi e praticità hanno reso questo numero non realmente utilizzabile a livello commerciale.

Le nuove versioni del prodotto dei ricercatori possono immagazzinare la stessa quantità di energia in 1/9^th il volume, ovvero solo 5 metri cubi (176 piedi cubi).
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Analisi dettagliata

Queste prestazioni più elevate sono state ottenute utilizzando un fascio ionico focalizzato per rimuovere strati sequenziali sottili di materiale ec³. Questi 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 frattale" che circonda i pori ec³, consentendo all'elettrolita di infiltrarsi e alla corrente di fluire attraverso il sistema.

Grazie a questo strumento analitico di livello superiore, il team di ricerca ha continuato a sperimentare diversi elettroliti e le loro concentrazioni per vedere come influivano sulla densità di accumulo di energia.

"Abbiamo scoperto che esiste un'ampia gamma di elettroliti che potrebbero essere candidati validi per l'ec³.

Ciò include anche l'acqua di mare, il che potrebbe rendere questo materiale adatto all'uso in applicazioni costiere e marine, magari come strutture di supporto per parchi eolici offshore".

Damian Stefaniuk - Ricercatore scientifico dell'EC³ Hub

Hanno scoperto che gli elettroliti organici, in particolare quelli che combinavano sali di ammonio quaternario presenti in prodotti di uso quotidiano come i disinfettanti, funzionavano meglio se mescolati con acetonitrile, un liquido trasparente e conduttivo spesso utilizzato nell'industria.

Migliore produzione di batterie in cemento

In precedenza, il metodo utilizzato prevedeva la polimerizzazione degli elettrodi ec³ e la successiva immersione in elettrolita. Invece, hanno scoperto che era possibile aggiungere l'elettrolita direttamente all'acqua di miscelazione.

Ciò era essenziale per realizzare elettrodi più spessi, capaci di immagazzinare più energia.

A dimostrazione di questa tecnologia, il team ha costruito un arco in cemento ec³ in miniatura per mostrare come la forma strutturale e l'accumulo di energia possano funzionare insieme.

Funzionando a 9 volt, l'arco sosteneva il proprio peso e un carico aggiuntivo, alimentando al contempo una luce LED.

Monitoraggio automatico dell'integrità strutturale

Un fenomeno sorprendente si è verificato quando hanno aumentato la carica sull'arco di prova. A un certo punto, la luce ha iniziato a tremolare, riflettendo il danneggiamento del calcestruzzo e il malfunzionamento dell'accumulatore di elettricità.

Ciò rende evidenti i danni strutturali, nonostante non vi siano crepe visibili. Una capacità del genere potrebbe rivelarsi molto utile negli edifici reali.

"Potrebbe esserci una sorta di capacità di automonitoraggio. Se pensiamo a un arco ec³ su scala architettonica, la sua potenza può fluttuare quando è colpito da un fattore di stress come i forti venti.

Potremmo essere in grado di utilizzare questo dato come segnale per sapere quando e in che misura una struttura è sottoposta a stress, oppure monitorarne lo stato di salute generale in tempo reale."

Ammiraglio Masic - Aprofessore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT.

Calcestruzzo autoriscaldante

Questo tipo di calcestruzzo non solo può immagazzinare energia, ma ha anche una maggiore conduttività termica. Di conseguenza, può contribuire a sciogliere il ghiaccio depositato su di esso, ed è già stato utilizzato a questo scopo a Sapporo, in Giappone, rappresentando una potenziale alternativa alla salatura.

L'energia immagazzinata e poi trasformata in calore potrebbe essere utilizzata anche per sciogliere il ghiaccio su strade, marciapiedi e percorsi pedonali.

Il futuro delle batterie in cemento e dell'accumulo di energia

Finora, le batterie su scala industriale sono state per lo più concepite come batterie per il calore, per l'accumulo di idrogeno o per l'utilizzo di materiali a basso costo come sodio, ferro o alluminio, in sostituzione delle più costose batterie agli ioni di litio al litio/cobalto/nichel.

Tuttavia, se dovessimo ampliare l'accumulo di energia tramite batterie per alimentare completamente la civiltà industrializzata con l'energia solare, un materiale più diffuso come il cemento potrebbe rivelarsi la soluzione ideale.

Innanzitutto, utilizza materiali ancora meno rari, poiché anche le batterie chimiche alternative richiedono comunque molto rame, ad esempio.

In secondo luogo, potrebbe anche essere integrato più agevolmente nei paesaggi e nelle costruzioni urbane di tutti i giorni.

Il team sta già lavorando ad applicazioni come parcheggi e strade che potrebbero ricaricare veicoli elettrici, nonché case in grado di funzionare completamente fuori dalla rete elettrica.

Poiché il calcestruzzo risultante ha la stessa integrità strutturale del calcestruzzo normale, potrebbe essere sensato utilizzarlo al suo posto, evitando completamente la necessità di spazio extra e la procedura di costruzione dei parchi batterie.

"Combinando la moderna nanoscienza con un antico elemento costitutivo della civiltà, stiamo aprendo le porte a un'infrastruttura che non si limita a supportare le nostre vite, ma le alimenta."

Ammiraglio Masic - Aprofessore associato di ingegneria civile e ambientale (CEE) al MIT.

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