Su un tavolo di laboratorio a Cambridge, nel Massachusetts, c’è una pila di cilindri di cemento nero lucido, bagnati di liquido e intrecciati con fili. Per un osservatore casuale, non stanno facendo molto. Ma poi Damian Stefaniuk fa scattare un interruttore. I blocchi di roccia artificiale vengono collegati ad un LED e la lampadina prende vita.
“All’inizio non ci credevo”, dice Stefaniuk, descrivendo la prima volta che la lampadina si è accesa.
“Pensavo di non aver staccato l’alimentatore esterno ed ecco perché il led si era acceso.
“È stata una giornata meravigliosa. Abbiamo invitato gli studenti e io ho invitato gli insegnanti a guardare, perché all’inizio neanche loro pensavano che avrebbe funzionato.”
Il motivo dell’eccitazione? Quel pezzo di cemento scuro e innocuo potrebbe rappresentare il futuro dello stoccaggio energetico.
Batterie
La promessa della maggior parte delle fonti energetiche rinnovabili è quella di un’energia pulita e infinita, che ci arriva dal sole, dal vento e dal mare.
Tuttavia, il sole non splende sempre, il vento non soffia sempre e le acque calme, in termini di megawatt, non hanno profondità.
Si tratta di fonti energetiche intermittenti che, nel nostro mondo moderno, affamato di energia, rappresentano un problema.
Significa che dobbiamo immagazzinare quell’energia nelle batterie. Ma le batterie dipendono da materiali come il litio, la cui disponibilità è molto inferiore a quella che sarà sicuramente necessaria per soddisfare la domanda generata dalla ricerca globale di decarbonizzazione dei sistemi energetici e di trasporto.
Ci sono 101 miniere di litio nel mondo e gli analisti economici sono pessimisti sulla capacità di queste miniere di tenere il passo con la crescente domanda globale.
Gli analisti ambientali sottolineano che l’estrazione del litio utilizza molta energia e acqua, riducendo i benefici ambientali derivanti dal passaggio a fonti di energia rinnovabile.
I processi coinvolti nell’estrazione del litio possono talvolta causare la fuoriuscita di sostanze chimiche tossiche nelle riserve idriche locali.
Nonostante alcune nuove scoperte di riserve di litio, La fornitura limitata di questo materiale, l’eccessiva dipendenza solo da una manciata di miniere in tutto il mondo e il suo impatto ambientale hanno spinto la ricerca di materiali alternativi per le batterie.
È qui che entrano in gioco Stefaniuk e il suo cemento. Lui e i suoi colleghi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno trovato il modo di creare un dispositivo di accumulo di energia noto come supercondensatore da tre materiali base ed economici: acqua, cemento e una sostanza simile alla fuliggine nota come nerofumo.
Supercondensatori
I supercondensatori sono molto efficienti nell’immagazzinare energia e differiscono dalle batterie in modi importanti.
Possono caricarsi molto più velocemente di una batteria agli ioni di litio e non subiscono gli stessi livelli di degrado delle prestazioni.
Ma i supercondensatori rilasciano rapidamente anche l’energia immagazzinatarendendoli meno utili in dispositivi come telefoni cellulari, computer portatili o auto elettriche, dove è necessaria una fornitura di energia costante per un lungo periodo.
Tuttavia, secondo Stefaniuk, i supercondensatori di cemento al carbonio potrebbero dare un contributo importante agli sforzi per decarbonizzare l’economia globale.
“Se potesse essere ampliata, la tecnologia potrebbe aiutare a risolvere un problema importante: lo stoccaggio dell’energia rinnovabile”, afferma.
Lui e i suoi colleghi ricercatori del MIT e del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard immaginano diverse applicazioni per i loro supercondensatori.
Una potrebbe essere quella di creare strade che immagazzinano l’energia solare e poi la rilasciano per ricaricare in modalità wireless i veicoli elettrici mentre percorrono la strada.
Il rapido rilascio di energia dal supercondensatore di cemento-carbonio consentirebbe ai veicoli di ottenere una rapida spinta per le loro batterie.
Un’altra opzione potrebbero essere le fondamenta delle case che immagazzinano energia: “avere muri, fondamenta o colonne che sono attive non solo nel sostenere una struttura, ma anche nell’immagazzinare energia al suo interno”, dice Stefaniuk.
Limitazioni
Ma è ancora presto. Per ora, il supercondensatore di cemento può immagazzinare poco meno di 300 wattora per metro cubo, che sarebbe sufficiente ad alimentare una lampadina LED da 10 watt per 30 ore.
La potenza prodotta “può sembrare bassa rispetto alle batterie convenzionali, [pero] una casa con una fondazione contenente 30-40 metri cubi di cemento potrebbe avere una capacità sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico quotidiano di un’abitazione“dice Stefaniuk.
“Considerato l’uso diffuso del calcestruzzo a livello globale, questo materiale ha il potenziale per essere altamente competitivo e utile nello stoccaggio dell’energia”.
Stefaniuk e i suoi colleghi del MIT hanno inizialmente testato il concetto creando supercondensatori da 1 V delle dimensioni di un centesimo dal materiale prima di collegarli in serie per alimentare un LED da 3 V.
Da allora hanno ampliato il concetto per produrre un supercondensatore da 12 V.
Stefaniuk è stato anche in grado di utilizzare versioni più grandi del supercondensatore per alimentare una console di gioco portatile.
E il gruppo di ricerca ora prevede di costruire versioni più grandi, inclusa una di dimensioni fino a 45 metri cubi che potrebbe immagazzinare circa 10 kWh di energia necessaria per alimentare una casa per un giorno.
Come funziona
Il supercondensatore funziona grazie a una proprietà insolita del nerofumo: è altamente conduttivo.
Ciò significa che Combinando il nerofumo con polvere di cemento e acqua si ottiene un tipo di calcestruzzo riempito con reti di materiale conduttivo.che assume una forma che ricorda minuscole radici che si ramificano sempre.
I condensatori sono costituiti da due piastre conduttrici con una membrana tra di loro. In questo caso, entrambe le piastre sono realizzate in cemento nerofumo, immerso in un sale elettrolitico chiamato cloruro di potassio.
Quando veniva applicata una corrente elettrica alle piastre imbevute di sale, le piastre caricate positivamente accumulavano ioni cloruro di potassio caricati negativamente. E poiché la membrana impediva lo scambio di ioni carichi tra le piastre, la separazione delle cariche creava un campo elettrico.
Poiché i supercondensatori possono accumulare grandi quantità di carica molto rapidamente, I dispositivi potrebbero essere utili per immagazzinare l’energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili intermittenti come l’eolico e il solare.
Ciò allevierebbe la pressione sulla rete nei momenti in cui il vento non soffia e il sole non splende.
Come dice Stefaniuk: “Un semplice esempio potrebbe essere una casa off-grid alimentata da pannelli solari: utilizzare l’energia solare direttamente durante il giorno e l’energia immagazzinata, ad esempio, nelle fondamenta di notte.”
I supercondensatori non sono perfetti. Le iterazioni esistenti scaricano rapidamente la loro energia e non sono ideali per una produzione costante, che sarebbe necessaria per alimentare una casa 24 ore su 24.
Stefaniuk dice che lui e i suoi colleghi stanno lavorando a una soluzione per mettere a punto la loro versione di cemento al carbonio aggiustando la miscela, ma non riveleranno i dettagli finché non avranno finito i test e pubblicato un articolo.
Una “innovazione promettente”
Potrebbero esserci anche altri problemi da superare: L’aggiunta di più nerofumo consente al supercondensatore risultante di immagazzinare più energia, ma indebolisce anche leggermente il calcestruzzo.
I ricercatori affermano che per ottenere l’uso del calcestruzzo in un ruolo strutturale, oltre che come immagazzinamento di energia, è necessario trovare un mix ottimale di nerofumo.
E mentre i supercondensatori di cemento al carbonio potrebbero aiutare a ridurre la nostra dipendenza dal litio, hanno il loro impatto ambientale.
La produzione di cemento è responsabile del 5-8% delle emissioni di anidride carbonica derivanti dalle attività umane in tutto il mondo. e il cemento al carbonio necessario per i supercondensatori dovrebbe essere prodotto ex novo anziché adattato alle strutture esistenti.
Tuttavia, sembra essere un’innovazione promettente, afferma Michael Short, che dirige il Centro per l’ingegneria sostenibile presso l’Università di Teesside nel Regno Unito.
La ricerca “apre molte strade potenziali interessanti sull’utilizzo dell’ambiente edificato stesso come mezzo di stoccaggio dell’energia”, afferma.
“Dato che anche i materiali sono comuni e la produzione relativamente semplice, questo è un ottimo indizio Questo approccio dovrebbe essere ulteriormente studiato e potrebbe rappresentare una parte molto utile della transizione verso un futuro più pulito e sostenibile.“.
Ma saranno necessarie ulteriori ricerche per trasferire tutto questo dal laboratorio al mondo reale.
“Le nuove scoperte sono spesso problematiche quando si considera il passaggio dalla scala di laboratorio o da banco a un’implementazione più ampia su scale e volumi più ampi”, avverte Short.
“Ciò può essere dovuto a complessità di produzione, scarsità di risorse o talvolta a fattori fisici o chimici sottostanti. Ciò che accade su scala più piccola può ridursi o addirittura scomparire quando si tenta di ingrandirla.”
Ma potrebbe esserci un modo per superare il problema del cemento dannoso per l’ambiente, aggiunge Short.
I colleghi della Teesside University stanno già lavorando su cemento a basse emissioni ottenuto da sottoprodotti dell’industria chimica e dell’acciaio.
Progetti come il cemento a basse emissioni e il calcestruzzo ad accumulo energetico aumentano la prospettiva di un futuro in cui i nostri uffici, le strade e le case svolgono un ruolo importante in un mondo alimentato da energia pulita.
Questo è un adattamento spagnolo di una storia della BBC Future. Lo trovi in inglese Qui
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