I ricercatori del MIT, guidati dai professori Franz-Josef Ulm, Admir Masic e Yang-Shao Horn, hanno scoperto che mescolando cemento, nerofumo e acqua in determinate proporzioni si ottiene un calcestruzzo che funge anche da supercondensatore in grado di immagazzinare energia elettrica . In un articolo pubblicato sulla rivista PNAS il 31 luglio 2023, i ricercatori hanno scritto:
“L’implementazione su larga scala di sistemi di energia rinnovabile richiede lo sviluppo di soluzioni di stoccaggio dell’energia per gestire efficacemente gli squilibri tra domanda e offerta di energia. Qui, indaghiamo su una soluzione materiale così scalabile per l’accumulo di energia nei supercondensatori costruiti con precursori di materiali prontamente disponibili che possono essere acquistati localmente praticamente da qualsiasi parte del pianeta, vale a dire cemento, acqua e nerofumo.
“L’analisi della trama rivela che le reazioni di idratazione del cemento in presenza di carbonio generano una rete di carbonio a conduzione di elettroni simile a un frattale che permea la matrice a base di cemento portante. La capacità di accumulo di energia di questa rete di nerofumo che riempie lo spazio dell’elevata superficie specifica accessibile per l’accumulo di carica è dimostrata essere una quantità intensiva, mentre la capacità ad alta velocità degli elettrodi di carbonio-cemento mostra un’auto-somiglianza a causa dell’idratazione porosità disponibile per il trasporto di carica.
“Questa natura intensiva e auto-simile dell’accumulo di energia e della capacità di velocità rappresenta un’opportunità per il ridimensionamento di massa dall’elettrodo alle scale strutturali. La disponibilità, versatilità e scalabilità di questi supercondensatori carbonio-cemento apre un orizzonte per la progettazione di strutture multifunzionali che sfruttano un’elevata capacità di accumulo di energia, capacità di carica/scarica ad alta velocità e resistenza strutturale per applicazioni residenziali e industriali sostenibili che vanno dall’energia autarchica rifugi e strade autocaricanti per veicoli elettrici, allo stoccaggio intermittente di energia per turbine eoliche e centrali a marea”.
In un post sul blog, il MIT ha affermato che i condensatori sono dispositivi molto semplici. Sono costituiti da due piastre elettricamente conduttive immerse in un elettrolita e separate da una membrana. Quando viene applicata una tensione attraverso il condensatore, gli ioni caricati positivamente dall’elettrolita si accumulano sulla piastra caricata negativamente, mentre la piastra caricata positivamente accumula ioni caricati negativamente.
Poiché la membrana tra le piastre blocca la migrazione degli ioni carichi, questa separazione delle cariche crea un campo elettrico tra le piastre e il condensatore si carica. Le due piastre possono mantenere a lungo questa coppia di cariche per poi erogarle molto velocemente quando necessario. I supercondensatori sono semplicemente condensatori in grado di immagazzinare cariche eccezionalmente grandi.
La quantità di energia che un condensatore può immagazzinare dipende dalla superficie totale delle sue piastre conduttive. La chiave dei nuovi supercondensatori sviluppati da questo team deriva da un metodo di produzione di un materiale a base di cemento con una superficie interna estremamente elevata dovuta a una rete densa e interconnessa di materiale conduttivo all’interno del suo volume di massa.
La svolta del supercondensatore
Immagine tramite PNAS
I ricercatori hanno ottenuto questo risultato introducendo nerofumo – che è altamente conduttivo – in una miscela di cemento insieme a polvere di cemento e acqua, quindi lasciandolo indurire. L’acqua forma naturalmente una rete ramificata di aperture all’interno della struttura mentre reagisce con il cemento, e il carbonio migra in questi spazi per creare strutture simili a fili all’interno del cemento indurito. Queste strutture hanno una struttura simile a un frattale, con rami più grandi da cui spuntano rami più piccoli, altri da ramificazioni ancora più piccole, e così via, per finire con una superficie estremamente ampia all’interno dei confini di un volume relativamente piccolo.
Il materiale viene quindi immerso in un materiale elettrolitico standard, come il cloruro di potassio, una specie di sale, che fornisce le particelle cariche che si accumulano sulle strutture di carbonio. Due elettrodi realizzati con questo materiale, separati da uno spazio sottile o da uno strato isolante, formano un supercondensatore molto potente, hanno scoperto i ricercatori.
Le due armature del condensatore funzionano proprio come i due poli di una batteria ricaricabile di tensione equivalente. Quando è collegato a una fonte di elettricità, l’energia viene immagazzinata nelle piastre proprio come in una batteria. Quando è collegato a un carico, la corrente elettrica rifluisce per fornire energia.
“Il materiale è affascinante”, ha detto il professor Masic, “perché hai il materiale artificiale più utilizzato al mondo – il cemento – che è combinato con il nerofumo, che è un materiale storico ben noto. I Rotoli del Mar Morto sono stati scritti con esso. Hai questi materiali vecchi di almeno due millenni che, quando li combini in un modo specifico, ottieni un nanocomposito conduttivo, ed è allora che le cose si fanno davvero interessanti.
Man mano che la miscela si indurisce e si indurisce, ha detto: “L’acqua viene sistematicamente consumata attraverso le reazioni di idratazione del cemento, e questa idratazione influisce fondamentalmente sulle nanoparticelle di carbonio perché sono idrofobiche (idrorepellenti).” Man mano che la miscela si evolve, “il nerofumo si autoassembla in un filo conduttivo collegato”, afferma. Il processo è facilmente riproducibile con materiali poco costosi e facilmente reperibili in qualsiasi parte del mondo. E la quantità di carbonio necessaria è molto piccola – appena il 3% in volume del mix – per ottenere una rete di carbonio percolato, ha detto Masic.
Il supercondensatore e la rivoluzione energetica
I supercondensatori realizzati con questo materiale hanno un grande potenziale per aiutare nella transizione mondiale verso l’energia rinnovabile, ha scritto Ulm. Le principali fonti di energia senza emissioni – energia eolica, solare e delle maree – producono tutte la loro produzione in tempi variabili che spesso non corrispondono ai picchi di utilizzo dell’elettricità, quindi i modi per immagazzinare tale energia sono essenziali.
“C’è un enorme bisogno di grande accumulo di energia”, ha detto Ulm e le batterie esistenti sono troppo costose e si basano principalmente su materiali come il litio, la cui fornitura è limitata. Ciò significa che sono assolutamente necessarie alternative più economiche. “Ecco dove la nostra tecnologia è estremamente promettente, perché il cemento è onnipresente”, dice Ulm.
Il team ha calcolato che un blocco di cemento drogato con nero di nanocarbonio delle dimensioni di 45 metri cubi (o iarde) – equivalente a un cubo di circa 3,5 metri di diametro – avrebbe una capacità sufficiente per immagazzinare circa 10 chilowattora di energia, che è considerato il consumo medio giornaliero di elettricità per una famiglia. Dal momento che il cemento manterrebbe la sua forza, una casa con una fondazione fatta di questo materiale potrebbe immagazzinare l’equivalente di un giorno di energia prodotta da pannelli solari o mulini a vento e consentirne l’utilizzo ogni volta che è necessario. Come bonus aggiuntivo, i supercondensatori possono essere caricati e scaricati molto più rapidamente delle batterie.
Esiste un compromesso tra la capacità di stoccaggio del materiale e la sua resistenza strutturale, hanno scoperto i ricercatori. Aggiungendo più nerofumo, il supercondensatore risultante può immagazzinare più energia, ma il calcestruzzo è leggermente più debole. Ciò potrebbe rivelarsi utile nelle applicazioni in cui il calcestruzzo non svolge un ruolo strutturale o in cui non è richiesto il pieno potenziale di resistenza del calcestruzzo. Per applicazioni come una fondazione o elementi strutturali della base di una turbina eolica, il “punto debole” è di circa il 10% di nerofumo nella miscela, hanno scoperto.
Strade che immagazzinano elettricità
Un’altra potenziale applicazione per i supercondensatori di carbonio-cemento è la costruzione di strade in cemento che potrebbero immagazzinare l’energia prodotta dai pannelli solari lungo la strada e quindi fornire quell’energia ai veicoli elettrici che viaggiano lungo la strada utilizzando lo stesso tipo di tecnologia utilizzata per i telefoni ricaricabili in modalità wireless.
Gli usi iniziali della tecnologia potrebbero essere per case o edifici isolati o rifugi lontani dalla rete elettrica, che potrebbero essere alimentati da pannelli solari collegati ai supercondensatori di cemento. Ulm afferma che il sistema è molto scalabile, in quanto la capacità di immagazzinamento dell’energia è una funzione diretta del volume degli elettrodi. “Puoi passare da elettrodi spessi 1 millimetro a elettrodi spessi 1 metro, e così facendo in pratica puoi ridimensionare la capacità di accumulo di energia dall’accensione di un LED per pochi secondi, all’alimentazione di un’intera casa”.
A seconda delle proprietà desiderate per una data applicazione, il sistema può essere messo a punto regolando la miscela. Per una strada che ricarica le auto elettriche, sarebbero necessarie velocità di ricarica e scarica molto elevate. Per alimentare una casa “hai tutto il giorno per ricaricarla”, quindi potrebbe essere utilizzato materiale a ricarica più lenta, ha detto Ulm. “Quindi, è davvero un materiale multifunzionale.”
Oltre alla sua capacità di immagazzinare energia sotto forma di supercondensatori, lo stesso tipo di miscela di calcestruzzo può essere utilizzato come sistema di riscaldamento semplicemente applicando elettricità al calcestruzzo legato al carbonio. Ulm crede che questo sia “un nuovo modo di guardare al futuro del calcestruzzo come parte della transizione energetica”.
Il da asporto
Questa è una notizia molto eccitante. Immagina solo se ogni nuova fondazione o edificio in cemento diventasse una batteria di accumulo. Ciò potrebbe potenziare la transizione verso le energie rinnovabili. La tecnologia potrebbe rendere più fattibili i sistemi energetici distribuiti come le microreti a causa del costo ridotto di stoccaggio dell’elettricità, poiché non sarebbero necessarie batterie di accumulo separate.
Naturalmente, questa ricerca deve fondersi con le nuove tecnologie che stanno riducendo l’impronta di carbonio del cemento. Combina il calcestruzzo a basse emissioni di carbonio con la tecnologia di accumulo di energia e si apre un intero mondo di nuove possibilità.
La descrizione sopra è per coloro che non sono ricercatori. Coloro che desiderano tutti i dettagli, inclusi grafici, diagrammi e la metodologia utilizzata nella ricerca sono invitati a visitare il PNAS sito, dove tutto ciò che potresti voler sapere su questa tecnologia è presentato nei minimi dettagli.
Qui a Casa CleanTechnica, sentiamo le parole “rivoluzionario” e “rivoluzione” tutto il giorno, tutti i giorni. Ma dobbiamo dire che questa notizia ci entusiasma. Stoccaggio locale di energia a basso costo da materiali ampiamente disponibili? Quello è una notizia che tutti possiamo usare.
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