El crecimiento exponencial de la generación renovable distribuida plantea un reto clave para los sistemas eléctricos: la gestión eficiente de excedentes y la estabilización de la red. Por ello, el almacenamiento energético es una herramienta fundamental para alcanzar un modelo energético eficiente y seguro. Sin embargo, la investigación se ha centrado tradicionalmente en el desarrollo de baterías con mayores densidades energéticas, mayor seguridad y menores costes.

En este contexto surge POWERCRETE, un proyecto pionero que explora la posibilidad de convertir el hormigón, material presente en las infraestructuras urbanas, en un elemento activo de almacenamiento energético, en forma de baterías de estado sólido. Para ello, se ha de modificar este hormigón y mejorar drásticamente sus propiedades eléctricas.

POWERCRETE es un proyecto de colaboración público-privado financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI), cuyo consorcio está integrado por la empresa alicantina Hormigones del Vinalopó S.A., el Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA), la asociación valenciana I²Con, y los centros tecnológicos ITCL e ITG. Esta alianza multidisciplinar combina capacidades en ingeniería civil, química de materiales, electroquímica, electrónica y gestión energética.

QUÉ SE PROPUSO EN EL PROYECTO POWERCRETE

El objetivo principal de POWERCRETE es desarrollar un nuevo sistema de almacenamiento energético de baterías basadas en hormigones, aprovechando las grandes cantidades de estos materiales que existen en cualquier entorno. Para la consecución de tal propósito, se plantearon las siguientes metas iniciales:

• Modificación de la composición de los hormigones para electrodos, buscando reducir la resistividad eléctrica hasta 0,5 – 1 Ω.m (frente a los 600 – 650 Ω.m del hormigón convencional).
• Desarrollo de un mortero electrolítico (electrolito sólido) para el intercambio iónico.
• Maximización del número de ciclos de carga y descarga de la batería.
• Diseño integral de la nueva batería empleando los materiales anteriores y garantizando propiedades eléctricas, mecánicas y estructurales adecuadas.
• Integración de la batería en la solución constructiva y en un sistema eléctrico (carga y descarga) para prueba en entorno real.

QUÉ SE ALCANZÓ

La revisión del estado del arte evidenció que las baterías basadas en cemento y hormigón se encuentran en fases muy preliminares, con limitaciones en conductividad, estabilidad y capacidad de almacenamiento frente a tecnologías electroquímicas ya consolidadas. La mayoría de los desarrollos previos eran a muy pequeña escala, con duraciones de ensayo limitadas y resultados poco reproducibles. En cualquier caso, sirvió para identificar qué tipo de aditivos podrían utilizarse para dotar de conductividad o propiedades electroquímicas al hormigón. Algunos ejemplos serían fibra de carbono, grafito, negro de humo, limaduras metálicas, polvos de hierro o níquel, e incluso subproductos industriales como el licor negro o resinas de intercambio iónico para los morteros electrolíticos. También se concluyó que hay que estar vigilantes, ya que estos aditivos pueden también afectar a la homogeneidad del hormigón, tener baja compatibilidad con la matriz cementicia o impactar en las propiedades mecánicas o estructurales.

POWERCRETE contrastó experimentalmente esa información recabada del estado del arte de las baterías de hormigón y cemento. Se comprobó que, aunque los aditivos metálicos y orgánicos son prometedores en la teoría, las combinaciones que ofrecieron los mejores resultados prácticos fueron la incorporación al hormigón de las de fibra de carbono y negro de humo, que redujeron de forma significativa la resistividad del hormigón hasta el objetivo inicial de 0,5–1 Ω·m, y todo ello sin comprometer su capacidad estructural. Se desarrollaron diferentes amasadas para trabajar como ánodos y cátodos de hormigón/mortero. Las más prometedoras según las pruebas de laboratorio fueron [1]:

• Ánodo constituido por un cemento Portland compuesto, arena, agua (de red), plastificantes, fibras de carbono, hierro puro en polvo, negro de humo y desaireante.
• Cátodo constituido por un cemento Portland compuesto, arena, agua (de red), plastificantes, fibras de carbono, hidróxido de níquel en polvo, negro de humo y desaireante.

Estos electrodos habrían de llevar embebidas barras de acero corrugado como colectores de corriente, y aportando resistencia mecánica y estructural al sistema. En el caso del cátodo, se optó por el galvanizado de las barras de acero corrugado con níquel.

Asimismo, se desarrolló una capa electrolítica basada en cemento con alta capacidad de intercambio iónico. Pese a que se trató de apostar por la circularidad, utilizando materiales de desecho como el licor negro, finalmente hubo que explorar el hidróxido de potasio (KOH) y aditivo superplastificante. Con la concentración adecuada de cemento, agua, KOH y superplastificante se alcanzaron los objetivos de conductividad iónica.

Se desarrollaron y ensayaron las características electroquímicas de celdas de batería en diferentes fases (imagen izquierda), concluyéndose que se debería optar por una solución formada por hormigón electrolítico con mallado de acero corrugado embebido para ánodo, el mortero electrolítico, y embebido en este último el mallado de acero corrugado galvanizado con níquel actuando de cátodo (BAT. 3 en imagen). A esta solución se le dio un diseño integral de la celda unitaria, optimizando el contacto entre electrodos y electrolito sólido, y reduciendo el espesor de las capas para mejorar la transferencia iónica y electrónica. Además, se le otorgó una geometría con sentido estructural.

Con el objetivo de validar el funcionamiento de las celdas unitarias a tamaño real bajo condiciones cercanas a las de aplicación práctica y detectar posibles desviaciones, ITG e ITCL llevaron a cabo diferentes ensayos de laboratorio. En la imagen inferior, se muestra el sistema experimental desarrollado en las instalaciones de Galaxy-Lab de ITG, que permitió ajustar la alimentación de las baterías POWERCRETE a través de una fuente de tensión. Se confirmó que las baterías de base hormigón son capaces de alimentar cargas (en el caso de la imagen, una luminaria LED de baja potencia), una vez se desconecta la fuente de tensión, y que este proceso se puede repetir, es decir, que las baterías son recargables.

La fase final del proyecto se centró en la construcción de un demostrador a escala real, el cual también se ejecutó en Galaxy-Lab de ITG. El demostrador se concibió como un pavimento urbano experimental en forma de paso de peatones. El objetivo era doble: por un lado, validar la integración de la batería de hormigón en un entorno representativo de aplicación, y por otro, demostrar su capacidad para alimentar cargas reales.

El demostrador se construyó a partir de diez celdas unitarias POWERCRETE, interconectadas en dos ramas en paralelo con cinco celdas en serie en cada rama. Esta configuración proporciona un equilibrio adecuado entre nivel de tensión y capacidad total de almacenamiento, de modo que las celdas pueden suministrar energía suficiente para alimentar luminarias LED instaladas como carga de prueba. El sistema se cubrió por una capa de compresión que servía tanto de elemento protector como de refuerzo estructural, garantizando la resistencia frente a cargas mecánicas.

El sistema se completó con un módulo fotovoltaico de 20 W y un controlador de gestión energética desarrollado por ITCL, con seguidor del MPPT y con un controlador dedicado a alimentar las cargas en función de la generación fotovoltaica y de la tensión disponible de la batería, lo que permitió simular un escenario urbano de autoconsumo: las celdas se recargaban con la energía solar durante el día y liberaban la energía almacenada en ausencia de radicación para alimentar las luminarias.

Para la validación del ciclo de operación completo de la batería POWERCRETE, se realizó un ensayo durante 24 horas y se recogieron los datos de tensiones del panel (V_pv) y de la batería POWERCRETE (Vbat), así como la corriente extraída del panel (I_pv). Los datos se muestran en la gráfica. El panel carga y mantiene la tensión de las baterías durante el día, a la vez que alimenta el convertidor y las luminarias con los excedentes de la carga. Cuando el panel no recibe suficiente radiación, las baterías son capaces de mantener las luminarias encendidas durante un cierto tiempo. El tiempo de operación de las luminarias en el demostrador fue inferior al que se había observado en pruebas controladas a escala laboratorio, lo que se debería a que parte de la corriente abastece al controlador. A nivel laboratorio, se había comprobado que el tiempo de descarga aumentaba a 5 horas por el hecho de realizar esa descarga sin un controlador, directamente contra la luminaria.

En cualquier caso, el demostrador realizado confirmó la doble funcionalidad perseguida desde el inicio del proyecto con las celdas POWERCRETE: funcionan como elemento estructural y dispositivo de almacenamiento energético en un entorno realista.

QUÉ QUEDA PENDIENTE. TRABAJOS FUTUROS

Si bien POWERCRETE ha demostrado con éxito la viabilidad de integrar sistemas de almacenamiento energético en estructuras de hormigón, los resultados obtenidos ponen de manifiesto que se trata aún de una tecnología en fase inicial, con varios retos técnicos que deben abordarse en futuras investigaciones.

Un primer aspecto clave es la necesidad de una caracterización electroquímica más detallada. Conocer en mayor profundidad los procesos que ocurren dentro de las celdas permitirá identificar parámetros críticos para la gestión del sistema, tales como el estado de carga, el estado de salud o la degradación en el tiempo. En el proyecto se realizaron algunos ensayos de ciclado, pero no lo suficientemente prolongados como para establecer conclusiones sólidas.

Relacionado con lo anterior, uno de los problemas observados durante el proyecto es la pérdida parcial de electrolito (KOH) desde el mortero electrolítico, lo que podría reducir su conductividad iónica y limita la capacidad de operación. Se probó la aplicación de recubrimientos impermeabilizantes, pero los resultados no fueron todo lo satisfactorios que se esperaba por falta de control en dicho proceso. Es necesario desarrollar técnicas de impermeabilización más eficaces que permitan conservar la funcionalidad electroquímica sin comprometer la hidratación del cemento.

Otro reto es la variabilidad en la fabricación. Al trabajar con volúmenes relativamente grandes de hormigón y morteros, es posible que pequeñas diferencias en la composición se traduzcan en dispersiones significativas en el comportamiento electroquímico de las celdas. Este efecto debe acotarse con el fin de lograr una mayor reproducibilidad en el rendimiento.

En el plano mecánico, el electrolito sólido empleado sigue siendo el principal factor limitante. Aunque se lograron conductividades iónicas suficientemente elevadas, la resistencia mecánica del mortero electrolítico no es comparable a la de un hormigón convencional. Futuras líneas de trabajo deben enfocarse en el desarrollo de electrolitos sólidos que, además de mantener la conductividad, se asemejen más a un hormigón estructural en términos de resistencia.

Por último, se identificó como limitación el consumo energético asociado al propio sistema de gestión (BMS/EMS). El controlador desarrollado en POWERCRETE, aunque funcional, representa una fracción significativa del consumo respecto a la energía almacenada por las celdas. Este aspecto es crítico, ya que reduce la eficiencia global del sistema. Para la maduración de la tecnología será fundamental desarrollar controladores más eficientes, capaces de minimizar pérdidas y de integrarse de manera escalable en un mayor número de celdas.

Estos avances permitirán evolucionar la tecnología POWERCRETE desde la fase de demostrador hacia aplicaciones urbanas a mayor escala, donde infraestructuras como pavimentos, aceras o elementos prefabricados puedan convertirse en sistemas de almacenamiento energético distribuidos, con una doble funcionalidad estructural y electroquímica.

AGRADECIMIENTOS

La publicación es parte del proyecto POWERCRETE (código de referencia CPP2021-008978), financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y por la Unión Europea NextGenerationEU/PRTR

Los autores de este artículo agradecen el trabajo de los socios del proyecto, y en concreto:

• Carlos Fernández Navarro y César Bartolomé Muñoz. Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA).
• José Antonio Zapater Hernández, Carmem Tatiane Primaz Schmidt, Antonio Rubio Bodí, Francisca Hernández González. Hormigones Vinalopó.
• Fran Ribes-Llario, Ernesto Colomer-Rosell, Ignacio Carrascosa-Requena. Asociación para el fomento de la innovación y la sostenibilidad en la Arquitectura, ingeniería y construcción (I2Con).
• Javier Sedano, Ricardo Castrillejo. Centro Tecnológico I+D+i Castilla y León (ITCL).

Autores: Silvia Villanueva Martínez y Ángel Álvarez Pardiñas, Ingenieros de I+D en ITG.

[1] Por cuestiones de protección de propiedad intelectual, no se revelan aquí las composiciones exactas.