Hay un problema que el entusiasmo por las energías limpias suele dejar en letra chica: la electricidad no se guarda sola. El sol se va a dormir antes que nosotros y el viento no siempre sopla cuando las fábricas prenden las máquinas. Una parte de esa intermitencia se puede resolver con energía de base — el biogás o la biomasa, por ejemplo, que se queman cuando hace falta y generan electricidad con bastante independencia del clima. Pero esa solución tiene límites: no siempre hay suficientes residuos orgánicos disponibles que justifiquen invertir millones en biodigestores. Y no siempre la red necesita más electrones, sino simplemente poder guardar los que ya generó y soltarlos cuando hace falta. Para eso hace falta almacenamiento, y el almacenamiento es uno de los problemas más caros, difíciles y urgentes que tiene la tecnología energética hoy.
Las soluciones que existen son imperfectas. Las baterías de litio almacenan mucha energía pero se degradan rápido y cargan lento. Los capacitores — dispositivos que acumulan carga eléctrica de forma puramente física, sin reacciones químicas — cargan y descargan en fracciones de segundo pero guardan poca energía. El supercapacitor es el intento de combinar lo mejor de ambos mundos: la velocidad del capacitor con algo más de músculo energético. El problema es que fabricarlos bien, con materiales de calidad y a escala, es complicado y caro.
O era complicado y caro.
Quizás fue el hambre. Quizás fueron los vapores de la destilería. Lo cierto es que dos investigadores de la Universidad de Kentucky miraron los barriles de vinaza que nadie sabía qué hacer con ellos y se preguntaron: ¿y si esto sirve para algo mejor que alimentar vacas?
Kentucky tiene un problema de resaca industrial
Kentucky es la capital mundial del bourbon. El estado produce la mayor parte del whiskey americano que se consume en el planeta, y eso significa que sus destilerías trabajan a full. El proceso es conocido: se fermenta una mezcla de granos — principalmente maíz — con agua y levaduras, se destila el alcohol, y se envejece en barriles de roble. Lo que no aparece en las etiquetas es lo que queda después de la destilación: por cada botella de bourbon de litro que sale al mercado, se generan hasta diez litros de un residuo líquido llamado vinaza — un lodo fermentado, espeso, con restos de grano, proteínas y materia orgánica que ya cumplió su función alcohólica y no sabe muy bien para qué sirve.
Una parte de esa vinaza se procesa como alimento para ganado. El resto es, básicamente, un dolor de cabeza logístico y ambiental que crece a medida que crece la industria. Es el tipo de subproducto que la economía industrial genera en cantidades masivas y gestiona con resignación, sin agregarle demasiado valor.
Marcelo Guzman, doctor en química y profesor del College of Arts and Sciences de la Universidad de Kentucky, vio en esa vinaza es eslabón faltante para la transición energética.
Una olla a presión, un horno, y carbono del bueno
Guzman trabajó junto a su doctorando Josiel Barrios Cossio en una técnica llamada hidrocarbonización termal. La descripción técnica suena intimidante pero la analogía es bastante doméstica: es básicamente someter a la vinaza a alta presión y temperatura en presencia de agua — como una olla a presión llevada al extremo — para desencadenar reacciones químicas que convierten la materia orgánica en un carbono denso y estable. El resultado se llama hydrochar: un polvo negro con propiedades eléctricas notables.
La ventaja del método es que no requiere secar la vinaza antes de procesarlo. «Podíamos tomarla tal como estaba, en una dispersión con mucha agua, y usar esa desventaja como ventaja», explicó Barrios Cossio. En la mayoría de los procesos de valorización de residuos húmedos, el agua es el primer obstáculo — cuesta energía y dinero eliminarla.
Con el hydrochar en mano, el equipo fue al horno. Según la temperatura de tratamiento, el mismo material base producía dos tipos de carbono con características radicalmente distintas.
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Dos ingredientes para un dispositivo que no abunda
A alrededor de 1.000 grados Celsius se obtiene el hard carbon: un material con una estructura interna irregular, llena de pequeños huecos, ideal para absorber y retener iones de litio. Es el electrodo que necesita el componente batería de un supercapacitor híbrido — el que le da densidad energética al dispositivo.
A unos 800 grados se obtiene el carbono activado: un material extremadamente poroso, con una superficie interna enorme en relación a su tamaño, que acumula grandes cantidades de carga eléctrica de forma electrostática. Es el electrodo del componente capacitor — el que le da velocidad de respuesta.
Tener los dos, del mismo residuo, con el mismo proceso base pero a distintas temperaturas, es lo que le permitió al equipo armar un supercapacitor híbrido de iones de litio: un dispositivo que combina la densidad energética de una batería con la velocidad de carga de un capacitor. «Fue un descubrimiento enorme para mí que podías hacer dispositivos híbridos con este residuo», dijo Barrios Cossio. «Los dispositivos híbridos no son comunes. No son comunes ni fáciles de hacer.»
Los números
En las pruebas de rendimiento, los supercapacitores del equipo almacenaron hasta 25 veces más energía por kilogramo que los modelos convencionales comparables. Los capacitores de doble capa fabricados con carbono activado retuvieron el 96% de su capacidad después de 15.000 ciclos de carga y descarga — un indicador de durabilidad crítico para cualquier aplicación de red eléctrica real.
El equipo colaboró con destilerías locales de la región para obtener la vinaza, y se asoció con investigadores de la Friedrich Schiller University Jena — universidad pública alemana con sede en Turingia — para el desarrollo del prototipo. El respaldo institucional llegó del UK Materials Science Research Priority Area, el programa de investigación en ciencias de materiales de la propia universidad.
Seth DeBolt, director del James B. Beam Institute — el centro de investigación de la Universidad de Kentucky dedicado a la cadena de valor de las bebidas espirituosas y los cultivos fermentables — y profesor del Martin-Gatton College of Agriculture, Food and Environment, lo resumió así: «La innovación para convertir un flujo de residuos en un supercapacitor es un ejemplo maravilloso de para qué existe la Universidad de Kentucky como institución pública al servicio del estado.»
Lo que viene
Los resultados se presentaron esta semana en la reunión de primavera de la American Chemical Society — la principal asociación científica de química de Estados Unidos, fundada en 1876 y con más de 150.000 miembros activos —. El próximo paso del equipo es analizar la viabilidad económica y tecnológica del proceso — la distancia que separa un resultado de laboratorio prometedor de una línea de producción real.
«Este proyecto nos permitió vincularnos con un problema del mundo real, con industrias de nuestro propio estado», dijo Guzman. «Y eso fue genial.»
