De la vinaza al almacenamiento: los investigadores convierten subproductos del bourbon en supercondensadores

Josiel Barrios Cossio, estudiante de posgrado, conoció por primera vez la magnitud del problema de los residuos del whisky estadounidense mientras trabajaba en unas prácticas de investigación para examinar los problemas de la alimentación, la energía y el agua en Kentucky. "Del volumen final de bourbon producido, se obtienen de 6 a 10 veces esa cantidad de vinaza como residuo", dice Barrios Cossio, "así que es un gran problema".

Esta vinaza es un mosto descuidado que suele venderse a los agricultores como pienso para el ganado o aditivo para el suelo. Pero es difícil de transportar mientras está húmeda y resulta caro secarla.

Una solución alternativa es convertir directamente la vinaza en materiales de carbono más valiosos mediante una técnica llamada carbonización hidrotérmica, que es como una cocción a presión de alta intensidad. "Podríamos tomar la vinaza tal cual, en una dispersión con mucha agua", dice Barrios Cossio, "y utilizar esa desventaja como ventaja".

El equipo se interesó por los materiales de carbono porque son buenos electrodos para supercondensadores, un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía. La carbonización hidrotérmica podría ofrecer un residuo de origen vegetal como fuente para estos electrodos. Investigaciones anteriores demostraron que subproductos agrícolas como las fibras de maíz podían convertirse en materiales de carbono con este tipo de calentamiento, pero la estrategia no se ha probado con la vinaza de bourbon, que está hecha de una mezcla de cereales que debe incluir maíz.

Así que Barrios Cossio y Marcelo Guzmán, químico de la Universidad de Kentucky e investigador principal del proyecto, se propusieron convertir los residuos de sus destilerías locales en electrodos para supercondensadores.

El primer paso fue contactar con los propietarios de las destilerías, generar confianza y convencerles de que dejaran entrar a los investigadores en sus instalaciones para tomar muestras y "hacer algo divertido con ellas", dice Barrios Cossio. Los químicos de la Universidad de Kentucky han entablado relaciones con destilerías de Kentucky a Illinois e incluso Canadá para utilizar sus residuos.

El equipo transformó la vinaza empapada en un fino polvo negro tratando el residuo con calor y presión en un reactor de 10 litros. A partir de ahí, el polvo negro se calentaba, por ejemplo, a 392 grados Fahrenheit (200 grados Celsius) en un horno, bien solo para formar carbón duro, bien con hidróxido potásico a 1.472 F (800 C) para formar carbón activado. El carbono duro es como el grafito, pero con láminas de carbono menos ordenadas, lo que lo hace ideal para adsorber más iones de litio y aumentar la capacidad de almacenamiento de energía. El carbón activado es extremadamente poroso, lo que significa que puede almacenar grandes cantidades de carga, y por tanto de energía, en su gran superficie interna.

Como prueba de concepto, el equipo fabricó condensadores de doble capa intercalando un electrolito líquido entre electrodos de carbono activado. En las pruebas, estos supercondensadores del tamaño de una moneda podían almacenar hasta 48 vatios hora por kilogramo, lo que no tenía nada que envidiar a los disponibles en el mercado.

Los investigadores también experimentaron con supercondensadores híbridos de iones de litio, diseñados para conciliar la rápida velocidad de descarga de los condensadores y el mayor almacenamiento de energía de las baterías. Así, construyeron dispositivos con un electrodo de carbono activado de tipo condensador y otro de carbono duro de tipo batería, ambos con iones de litio. Estos supercondensadores derivados de vinazas almacenaban hasta 25 veces más energía por kilogramo que las versiones convencionales.

Los supercondensadores de iones de litio son también un nuevo ejemplo de utilización de una fuente agrícola para dos electrodos distintos en un mismo dispositivo. "Para mí fue un gran descubrimiento que se pudieran fabricar dispositivos híbridos a partir de estos residuos", afirma Barrios Cossio. "Los dispositivos híbridos no son comunes. No son comunes y no son fáciles de fabricar".

Los próximos pasos de los investigadores son estudiar los mecanismos de almacenamiento de energía de sus supercondensadores derivados de vinazas para optimizarlos de cara a su comercialización. Su objetivo es desarrollar versiones más grandes de los supercondensadores, para que un día esta tecnología pueda ayudar a estabilizar la red eléctrica a medida que se incorporen más fuentes de energía renovables. De forma más inmediata, el equipo realizará análisis del ciclo de vida y evaluaciones de viabilidad económica y tecnológica para valorar la sostenibilidad de convertir los residuos de destilería en dispositivos de almacenamiento de energía.

En general, el equipo está encantado de haber encontrado un prototipo de solución para un problema local en colaboración con el grupo de Andrea Balducci de la Universidad Friedrich Schiller de Jena (Alemania). "Este proyecto nos permitió vincularnos con un problema del mundo real con industrias de nuestro ámbito estatal", dice Guzmán, "y eso fue superguay".