El uso de energías renovables no convencionales -como las energías eólica o solar, por ejemplo- toman cada vez más relevancia, especialmente en el contexto de cambio climático que atraviesa el planeta. El gran desafío, sin embargo, radica en cómo almacenarlas cuando sus fuentes originales no estén disponibles. Este artículo se basa en la presentación “Carbon-Cement Supercapacitors: A Disruptive Technology for Renewable Energy Storage”, que el Dr. Damian Stefaniuk realizó en un congreso del American Concrete Institute (ACI) y en la que exhibió una revolucionaria tecnología de almacenamiento energético, basada en compuestos de cemento-carbono.
Dado el contexto de Cambio Climático que atraviesa el mundo, uno de los grandes desafíos que existen a nivel global es el tránsito desde combustibles fósiles a fuentes de energía limpias. Esto no es menor ya que según un reporte de Naciones Unidas, los combustibles fósiles comprenden el 80% de la demanda actual de energía primaria a nivel global, lo que implica desafíos interesantes en materia de transición energética.
“Las energías renovables no se pueden usar de forma uniforme en todo el sistema energético para sustituir el uso de combustibles fósiles hoy en día, principalmente por la variación en la capacidad de los diferentes subsectores energéticos para pasar de los combustibles fósiles a las energías renovables”, dice el mismo reporte sobre el tema. Por lo mismo, el avanzar hacia este tipo de fuentes requiere de inversión -que, en muchos casos, es alta- además de una componente tecnológica que permita, por ejemplo, su almacenamiento cuando estas fuentes no se encuentren disponibles.
Ante esta disyuntiva, una investigación liderada por investigadores y académicos del prestigioso Massachusetts Institute of Technology (MIT) brinda una solución innovadora en esta materia: los supercondensadores de cemento-carbono, ofreciendo así un paradigma revolucionario tanto para ingenieros civiles y estructurales, como también, a todos quienes se muestren interesados en sostenibilidad y eficiencia energética en infraestructuras.
Damian Stefaniuk, Ph.D en Ingeniería Civil de la Universidad Tecnológica de Breslavia (Polonia) y actual investigador científico del MIT, está liderando el desarrollo de este interesante proyecto. “Este material compuesto no solo mantiene la estructura física del cemento, sino que también incorpora las propiedades conductoras del carbono, permitiendo la acumulación y liberación rápida de energía”, destacó.
Cemento-Carbono y supercondensadores: Un novedoso concepto
Los supercondensadores son elementos que almacenan energía mediante la separación de cargas eléctricas y están formados por pares de placas conductivas separadas por un medio dieléctrico. Su funcionamiento es similar al de un condensador -es decir, un dispositivo pasivo que “guarda” energía en forma de campo eléctrico- sólo que su capacidad (que se mide en Faradios) es a mayor escala. Los más poderosos, por ejemplo, poseen hasta 5.000 Faradios (5.000 F) de capacidad.
Junto con esto, los supercondensadores permiten la carga y descarga de energía en tiempos breves, lo que los convierte en un elemento ideal en lo que se refiere a transmisión energética ya que, en relación con las energías renovables no convencionales, pueden eventualmente almacenar la energía sobrante, regular el suministro y estabilizarlo, sin utilizar otros elementos como baterías externas.
En este sistema que desarrolló el Doctor Stefaniuk junto con el equipo del MIT, el cemento actúa como electrolito sólido, mientras que el carbono proporciona conductividad eléctrica superior. La estructura porosa del cemento maximiza el área de contacto, optimizando de esta forma la capacidad de almacenamiento. “Ésta puede ajustarse variando la proporción de carbono en la mezcla, permitiendo así optimizar el rendimiento para diferentes aplicaciones”, explicó el científico.
El mecanismo de almacenamiento se basa en la formación de una doble capa eléctrica en la interfaz entre el electrodo de carbono y el electrolito (cemento). Cuando se aplica un potencial eléctrico, los iones del electrolito se acumulan en la superficie del carbono, creando una separación de carga que almacena energía electrostática.
Así, el mecanismo que poseen los supercondensadores de cemento-carbono implica la utilización de una alta área superficial del carbono poroso para adsorber y almacenar iones del electrolito. En ese sentido, el cemento, que actúa como una matriz estructural y electrolítica, permite la incorporación de grandes cantidades de carbono sin comprometer la integridad mecánica del material compuesto.
Aplicaciones en Infraestructura
Dadas las características que poseen este nuevo tipo de supercondensadores, es posible que estos puedan integrarse a distintos tipos de infraestructuras, sean edificaciones, infraestructura civil o de otro tipo, las que permitirían almacenar energía renovable en el mismo sitio, sin tener que recurrir a baterías externas u otro tipo de tecnología de almacenamiento.
En ese sentido, los pavimentos y paredes inteligentes son ejemplos prácticos de esta integración, que podrían transformar las ciudades en entornos energéticamente autónomos y sostenibles. “La integración de supercondensadores optimiza el uso de energía y abre nuevas posibilidades para el diseño y funcionalidad de las ciudades del futuro”, afirmó el Doctor Stefaniuk en la presentación.
Entre las aplicaciones a las que hizo mención el científico, se incluyen el uso en carreteras que pueden almacenar energía generada por paneles solares instalados en la superficie o en las proximidades. Además, como ya mencionó, los edificios equipados con paredes y techos de cemento-carbono pueden almacenar energía solar durante el día y liberar energía eléctrica para uso nocturno.
Otro tipo de infraestructura que puede desarrollarse bajo esta premisa es la que se utiliza para el transporte. En ese sentido, puentes y túneles equipados con esta tecnología podrían, eventualmente, retroalimentar sistemas de monitoreo estructural, iluminación adaptativa y señalización variable, mejorando significativamente la seguridad y la eficiente operativa.
Para el experto, esta integración no sólo mejora la eficiencia energética, sino que también proporciona una mayor estabilidad a la red eléctrica, además de redefinir cómo se conceptualizarán y diseñarán las futuras infraestructuras, una vez que se integren los supercondensadores al ambiente urbano.
¿Cuáles son los beneficios que poseen los supercondensadores de cemento-carbono?
Uno de los aspectos que resalta el Doctor Stefaniuk es que, a la hora de producir los supercondensadores de cemento-carbono, no es necesario recurrir a materiales especiales y costosos, los que afectarían a la eficiencia que plantea el uso de este nuevo tipo de elementos.
Por el contrario, para la fabricación de estos elementos se considera el uso de materiales ya disponibles -en efecto, uno de sus componentes es el cemento- y abundantes, los que harían más eficientes en lo económico a la adopción de este tipo de elementos. Otro punto es que los procesos de producción de los supercondensadores de cemento-carbono serían menos intensivos energéticamente, generando así una menor huella de carbono.
“Esta tecnología ofrece una solución sostenible y escalable, contribuyendo significativamente a la reducción de emisiones y a la eficiencia energética global”, subrayó el Doctor Stefaniuk durante la presentación. Además, su larga vida útil -dada la durabilidad del cemento- y bajos costos de mantenimiento favorecen tanto la economía como el medio ambiente.
De esta forma, el uso de cemento y carbono en lugar de materiales más costosos y raros hace que esta tecnología sea más accesible para su implementación a gran escala. La vida útil de los supercondensadores de cemento-carbono supera significativamente la de las baterías tradicionales, reduciendo la frecuencia de reemplazo y el impacto ambiental asociado con la eliminación de baterías usadas.
Desafíos en la implementación de esta nueva tecnología
A pesar de sus beneficios, la implementación a gran escala enfrenta desafíos en términos de durabilidad, eficiencia y escalabilidad. “Con el desarrollo y la inversión adecuados, los supercondensadores de cemento-carbono podrían revolucionar el almacenamiento de energía, ofreciendo una alternativa viable a las tecnologías actuales”, comentó el Doctor Stefaniuk. Por ello, la producción masiva y la integración con infraestructuras existentes requieren superar obstáculos técnicos y logísticos.
El reto principal que identificó el equipo de investigadores es aumentar la densidad energética de los supercondensadores. En actualidad, ésta es menor si se le compara a la que tienen las baterías tradicionales de ion-litio. En orden para que los supercondensadores sean competitivos, la investigación se centra en nanoestructurar el carbono y modificar la química de la interfaz para aumentar la capacidad de almacenamiento.
Otro desafío que arroja la investigación es la estabilidad a largo plazo que deben tener los supercondensadores de cemento-carbono, lo que es crucial para asegurar el rendimiento constante bajo ciclos carga y descarga repetidos y en condiciones ambientales variables. En la presentación, se detalló que se están trabajando en técnicas de encapsulación avanzadas y aditivos estabilizadores para abordar este reto.
Mejorar la conductividad eléctrica, sin afectar a las propiedades mecánicas de estos elementos, es esencial para que todo el sistema funcione. En ese sentido, durante la presentación se comentó sobre el desarrollo de técnicas como la incorporación de nanotubos y grafeno para, justamente, incrementar la conductividad y mejorar la resistencia del material.
Finalmente, la manufactura a gran escala de este material compuesto también requiere el desarrollo de procesos industriales eficientes que puedan mantener la consistencia en la calidad del producto final. En ese sentido, durante la presentación se mencionó el desarrollo de procesos de fabricación automatizados y técnicas de control de calidad en terreno para ese fin.
Desarrollo e investigación de los supercondensadores de cemento-carbono
La investigación en supercondensadores de cemento-carbono que lidera el equipo del MIT, del que forma parte el Doctor Stefaniuk, se enfoca principalmente, aunque no manera exclusiva, en mejorar la capacidad de almacenamiento y la estabilidad del material compuesto.
En ese aspecto, los estudios buscan optimizar la estructura porosa del cemento y el tipo de carbono utilizado para maximizar la capacidad de adsorción de iones. Además, se están explorando aditivos que puedan mejorar la conductividad y la durabilidad del material.
Por lo mismo, Stefaniuk y el equipo del MIT trabajando en colaboración con otros centros de investigación y universidades para desarrollar modelos predictivos que ayuden a diseñar supercondensadores con características específicas para diferentes aplicaciones.
Asimismo, se encuentran trabajando en la creación de prototipos a escala real para probar el rendimiento del material en condiciones operativas.
Uno aspecto que se debe tener en consideración para adoptar esta tecnología es la colaboración entre científicos, ingenieros, arquitectos y legisladores. En ese sentido, es esencial desarrollar estándares y normativas que regulen la fabricación y el uso de supercondensadores de cemento-carbono en infraestructuras. Además, en la exposición se recalcó la necesidad de una formación adecuada para los profesionales de la construcción para asegurar una implementación efectiva y segura de este tipo de elementos.
¿Qué futuro se vislumbra con esta tecnología?
En la presentación, se destaca que los supercondensadores de cemento-carbono representan un avance cierto en el área del almacenamiento energético, especialmente en lo que se refiere a la transición hacia energías renovables no convencionales.
En ese ámbito, la integración directa de este tipo de elementos en la futura infraestructura urbana ofrece una solución innovadora y sostenible, prometiendo un futuro donde las ciudades sean más eficientes y ecológicas. Por lo mismo, se destaca en la exposición, la colaboración entre científicos, ingenieros y legisladores será esencial para llevar esta tecnología a su máximo potencial.
Por lo mismo, los investigadores destacaron que el potencial que tienen los supercondensadores de cemento-carbono para transformar el almacenamiento y uso de energía en infraestructuras es significativo. Su capacidad para integrarse en el entorno urbano promueve la creación de ciudades sostenibles y resilientes, facilitando la transición hacia una economía de energía limpia. Junto con esto, su desarrollo podría generar nuevas oportunidades de empleo y crecimiento económico en sectores clave.
Es por ello que, con una inversión continua en I+D, estos supercondensadores podrían ser una pieza clave en la transición hacia un futuro energético sostenible.
