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Materiales omnipresentes como el cemento y el negro de carbón (que se asemeja al carbón vegetal muy fino), pueden constituir la base de un novedoso sistema de almacenamiento de energía de bajo coste.
Esta tecnología, descrita en la revista PNAS, podría facilitar el uso de fuentes de energía renovables, como la solar, la eólica y la mareomotriz, al permitir que las redes energéticas se mantengan estables a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable.
Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts descubrieron que los dos materiales pueden combinarse con agua para fabricar un supercondensador (una alternativa a las baterías) que podría proporcionar almacenamiento de energía eléctrica.
Por ejemplo, señalan que podría incorporarse a los cimientos de hormigón de una casa, donde podría almacenar la energía de un día entero, con un coste mínimo (o nulo) para los cimientos y la resistencia estructural necesaria.
También prevén una calzada de hormigón que podría recargar sin contacto los coches eléctricos que circulen por ella.
La cantidad de energía que puede almacenar un condensador depende de la superficie total de sus placas conductoras.
La clave de los nuevos supercondensadores desarrollados por este equipo radica en un método para producir un material a base de cemento con una superficie interna extremadamente alta gracias a una densa red interconectada de material conductor dentro de su volumen.
Los investigadores lo consiguieron introduciendo negro de carbón --que es altamente conductor-- en una mezcla de hormigón junto con cemento en polvo y agua, y dejándola reposar.
Al reaccionar con el cemento, el agua forma de forma natural una red ramificada de aberturas dentro de la estructura, y el carbono migra a estos espacios para formar estructuras similares a cables dentro del cemento endurecido.
Estas estructuras tienen una estructura fractal, con ramas más grandes de las que brotan ramas más pequeñas, y de éstas brotan ramificaciones aún más pequeñas, y así sucesivamente, hasta acabar con una superficie extremadamente grande dentro de los confines de un volumen relativamente pequeño.
A continuación, el material se sumerge en un material electrolítico estándar, como el cloruro potásico, una especie de sal, que proporciona las partículas cargadas que se acumulan en las estructuras de carbono.
Dos electrodos de este material, separados por un fino espacio o una capa aislante, forman un supercondensador muy potente, según descubrieron los investigadores.
Las dos placas del condensador funcionan como los dos polos de una batería recargable de voltaje equivalente: Cuando se conectan a una fuente de electricidad, como en el caso de una batería, la energía se almacena en las placas y, cuando se conectan a una carga, la corriente eléctrica vuelve a salir para suministrar energía.
"El material es fascinante --asegura Masic-- porque tenemos el material más utilizado por el hombre en el mundo, el cemento, combinado con negro de humo, que es un material histórico bien conocido: los Rollos del Mar Muerto se escribieron con él.
Se trata de materiales de al menos dos milenios de antigüedad que, combinados de una forma específica, dan lugar a nanocompuestos conductores, y ahí es donde las cosas se ponen realmente interesantes".
A medida que la mezcla fragua y se cura "el agua se consume sistemáticamente mediante reacciones de hidratación del cemento, y esta hidratación afecta fundamentalmente a las nanopartículas de carbono porque son hidrófobas (repelen el agua)".
A medida que la mezcla evoluciona, "el negro de humo se va autoensamblando hasta formar un hilo conductor conectado", afirma.
El proceso es fácilmente reproducible, con materiales baratos y fáciles de conseguir en cualquier parte del mundo.
Y la cantidad de carbono necesaria es muy pequeña -tan sólo un 3% en volumen de la mezcla- para conseguir una red de carbono percolado, afirma Masic.
Los supercondensadores fabricados con este material tienen un gran potencial para contribuir a la transición mundial hacia las energías renovables, afirma Ulm.
Las principales fuentes de energía libre de emisiones, la eólica, la solar y la mareomotriz, producen su energía en momentos variables que a menudo no se corresponden con los picos de consumo eléctrico, por lo que es esencial encontrar formas de almacenar esa energía.
"Las baterías actuales son demasiado caras y dependen sobre todo de materiales como el litio, cuyo suministro es limitado, por lo que se necesitan alternativas más baratas.
"Ahí es donde nuestra tecnología es extremadamente prometedora, porque el cemento es ubicuo", subraya Ulm en un comunicado.
El equipo calculó que un bloque de hormigón dopado con nanocarbono de 45 metros cúbicos de tamaño --equivalente a un cubo de unos 3,5 metros de diámetro-- tendría capacidad suficiente para almacenar unos 10 kilovatios-hora de energía, lo que se considera el consumo medio diario de electricidad de un hogar.
Como el hormigón conservaría su resistencia, una casa con cimientos de este material podría almacenar la energía de un día producida por paneles solares o molinos de viento y utilizarla cuando fuera necesaria.
Además, los supercondensadores pueden cargarse y descargarse mucho más rápidamente que las pilas.
Tras una serie de pruebas para determinar las proporciones más eficaces de cemento, negro de humo y agua, el equipo demostró el proceso fabricando pequeños supercondensadores, del tamaño de algunas pilas de botón, de 1 centímetro de diámetro y 1 milímetro de grosor, que podían cargarse cada uno a 1 voltio, comparable a una pila de 1 voltio.
Una vez demostrado el principio, planean construir una serie de versiones mayores, empezando por unas del tamaño de una batería de coche de 12 voltios, hasta llegar a una versión de 45 metros cúbicos para demostrar su capacidad de almacenar la energía de una casa.
Descubrieron que existe un equilibrio entre la capacidad de almacenamiento del material y su resistencia estructural.
Al añadir más negro de humo, el supercondensador resultante puede almacenar más energía, pero el hormigón es ligeramente más débil, lo que podría ser útil para aplicaciones en las que el hormigón no desempeña una función estructural o en las que no se requiere todo el potencial de resistencia del hormigón.
Para aplicaciones como los cimientos o los elementos estructurales de la base de una turbina eólica, el "punto óptimo" se sitúa en torno al 10% de negro de humo en la mezcla.
Otra posible aplicación de los supercondensadores de carbono-cemento es la construcción de calzadas de hormigón que puedan almacenar la energía producida por los paneles solares situados a lo largo de la carretera y suministrarla a los vehículos eléctricos que circulen por ella utilizando la misma tecnología que se emplea para recargar teléfonos de forma inalámbrica.
Empresas alemanas y holandesas ya están desarrollando un sistema similar de recarga de coches, pero con baterías estándar.
Según los investigadores, los primeros usos de esta tecnología podrían ser viviendas aisladas, edificios o refugios alejados de la red eléctrica, que podrían alimentarse con paneles solares conectados a los supercondensadores de cemento.
Ulm afirma que el sistema es muy escalable, ya que la capacidad de almacenamiento de energía es una función directa del volumen de los electrodos.
"Es un material multifuncional", añade.
Además de su capacidad para almacenar energía en forma de supercondensadores, el mismo tipo de mezcla de hormigón puede utilizarse como sistema de calefacción, simplemente aplicando electricidad al hormigón cargado de carbono.
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