Va a ser un gran desafío integrar las fuentes irregulares de energía renovable, como la solar y la eólica, a la cuadrícula eléctrica y mantener una producción energética estable.

Los dispositivos de almacenamiento de energía llamados ultra-condensadores podrían ayudar al almacenar brotes repentinos de energía. Pero mucho dependerá de desarrollar una generación nueva de ultra-condensadores con suficiente capacidad de almacenamiento para enfrentar a la demanda posible.

Graphene Energy, una startup ubicada en Austin, TX, espera que los ultra-condensadores con electrones hechos de grafeno, (láminas de carbono con el grosor de un átomo), sean la solución. La capacidad de almacenamiento de un ultra-condensador sólo está limitada por el área de superficie de sus electrodos, y el grafeno ofrece un modo para aumentar muchísimo el área disponible.

Los ultra-condensadores almacenan energía en forma electroestática, en vez de químicamente, como las baterías. Durante la carga, los electrones llegan a la superficie de un electrodo, y se forman “agujeros” de electrones en la superficie del otro. Esto tira de los iones positivos en un electrolito hacia el primer electrodo y los iones negativos hacia el segundo. Por contraste, las reacciones químicas que se utilizan para cargar baterías limitan la velocidad con la cual se cargan y eventualmente causan que el material del electrodo se degrade. Los ultra-condensadores pueden cargarse y descargarse muy rápidamente, en segundos, más que en minutos, y pueden recargarse millones de veces antes de desgastarse.

Sin embargo, los ultra-condensadores que se hallan actualmente en el mercado no pueden equipararse con las baterías en cuanto a densidad energética, por eso se usan generalmente en sistemas híbridos junto a baterías para el lugar apropiado para aplicaciones. Como estos dispositivos pueden administrar un influjo rápido de grandes cantidades de energía, generalmente se los usa para recuperar energía, por ejemplo, cuando se descompone un micro urbano o cuando una grúa pórtico baja su carga. Los ultra-condensadores que se usan de este modo, redujeron en un 40 por ciento la energía que necesitan algunas grúas que se usan en puertos japoneses. Pocas herramientas nuevas incluido el taladro eléctrico aprovechan la habilidad de recarga rápida de los ultra-condensadores. Graphene Energy espera presentar aplicaciones nuevas de ultra-condensadores al desarrollar dispositivos con mucha más producción energética. Estos ultra-condensadores tal vez podrían usarse para regular la sobretensión transitoria de de la cuadricula eléctrica, o para impulsar a los vehículos de transporte híbridos. La empresa tiene $ 500.000.- de financiación inicial para comercializar los ultra-condensadores de grafeno desarrollados por Rodney Ruoff, un profesor y preidente de ingeniería mecánica en la University of Texas, en Austin. Ruoff es el cofundador de Graphene Energy quien también se desempeña como consejero tecnológico de la empresa. Los ultra-condensadores existentes están hechos con carbono activado, un material poroso semejante al carbón, que tiene un área de superficie muy alto. El carbono activado almacena carga en unos poros semejantes a túneles, y le toma alrededor de un segundo a la carga para entrar y salir. Esto es muy rápido comparado con las baterías más veloces, pero el carbono activado tiene una producción de energía muy limitada.

Para hacer el grafeno para sus electrodos, el equipo de Ruoff empieza por poner óxido de grafito en una solución de agua. Esto hace que el material se fraccione en láminas de óxido de grafeno con el grosor de un átomo. Luego se extraen los átomos de oxígeno y lo que queda es el grafeno. Hasta ahora, el laboratorio de Ruoff ha creado ultra-condensadores que se equiparan al rendimiento de los que se hicieron usando carbono activado. Mediante otros ajustes, ellos deberán tener mejor rendimiento que el carbono activado, aunque los pasos que están dando en su empresa para lograrlo son secretos.

Basándose en la descripción de los ultra-condensadores que se expuso en septiembre 2008 en la publicación Nano Letters, John Millar de JME, una empresa consultora y de investigación que se especializa en condensadores electroquímicos, dice que, de hecho, debería ser posible poder mejorar su rendimiento. El electrodo de grafeno descrito en el artículo se “estruja para formar una bollo como el que se hace con una hoja de papel. No tienes acceso completo a la superficie”, dice Millar.

Si Graphene Energy puede cultivar los electrodos para crear láminas chatas que se apoyan verticalmente, Millar dice que la producción energética puede aumentarse espectacularmente. En este ensamble, cada átomo de carbono particular estaría expuesto y podría almacenar energía, con virtualmente ningún tiempo de espera para que la carga se desplace por los tubos que se hallan en el carbono activado.

Sin embargo, además de mejorar el rendimiento de sus ultra-condensadores, GrapheneEnergy también tiene que desarrollar un método para hacerlos a gran escala, un desafío común a toda la investigación de grafeno.

Dileep Agnihotri, presidente ejecutivo de Graphene Energy dice que la empresa espera probar su primer producto prototipo que incorpora electrodos de carbono para fines de este año.

Otro grupo de investigadores espera crear electrodos mejores para ultra-condensadores usando nanotubos de carbono, tubos enrollados de grafeno que tienen muchas propiedades similares. “Yo creo que, en principio, ambos  métodos pueden funcionar”, dice Joel Schindall, un profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT que está trabajando con los electrodos de nanotubos. “La clave será acertar con el proceso correcto, y después buscar maneras para fabricarlos de una manera que no sea costosa”.