Dallo stillage all'immagazzinamento: i ricercatori trasformano i sottoprodotti del bourbon in supercapacitori
Gli scarti della distilleria alimentano supercondensatori con un'energia 25 volte superiore a quella dei dispositivi commerciali
Lo stato del Kentucky produce il 95% del bourbon mondiale, e tutto questo bourbon lascia dietro di sé un'enorme quantità di cereali di scarto, chiamati "stillage". Ora, i ricercatori dell'Università del Kentucky hanno sviluppato un processo per trasformare la morchia in elettrodi. Con gli elettrodi dei sottoprodotti del bourbon, hanno creato supercondensatori in grado di immagazzinare più energia di dispositivi commerciali di dimensioni simili.
I ricercatori hanno convertito gli scarti della distilleria di bourbon (immagine a sinistra) in elettrodi per supercondensatori (immagine a destra) che immagazzinano più energia per chilogrammo rispetto ai dispositivi commerciali.
Josiel Barrios Cossio
Josiel Barrios Cossio, uno studente laureato, ha appreso per la prima volta l'entità del problema dei rifiuti del whisky americano mentre lavorava a un tirocinio di ricerca per esaminare le questioni alimentari, energetiche e idriche nel Kentucky. "Dal volume finale di bourbon prodotto, si ottiene una quantità da 6 a 10 volte superiore di stillage come rifiuto", dice Barrios Cossio, "quindi è un grosso problema".
Questo residuo è un pastone sciolto che di solito viene venduto agli agricoltori come mangime per il bestiame o come additivo per il terreno. Ma è difficile da trasportare quando è bagnato ed è costoso da essiccare.
Una soluzione alternativa è quella di convertire direttamente il liquame in materiali di carbonio più preziosi, utilizzando una tecnica chiamata carbonizzazione idrotermale, che è come una cottura a pressione ad alta intensità. "Potremmo prendere il liquame così com'è, in una dispersione con molta acqua", dice Barrios Cossio, "e usare questo svantaggio come un vantaggio".
Il team era interessato ai materiali di carbonio perché sono ottimi elettrodi per i supercondensatori, un tipo di dispositivo per l'accumulo di energia. La carbonizzazione idrotermale potrebbe offrire un rifiuto di origine vegetale come fonte per questi elettrodi. Ricerche precedenti hanno dimostrato che i sottoprodotti agricoli, come le fibre di mais, possono essere convertiti in materiali di carbonio con questo tipo di riscaldamento, ma la strategia non è stata provata con lo stillage del bourbon, che è composto da una miscela di cereali che deve includere il mais.
Così, Barrios Cossio e Marcelo Guzman, chimico dell'Università del Kentucky e ricercatore principale del progetto, hanno deciso di convertire gli scarti delle distillerie locali in elettrodi per supercondensatori.
Il primo passo è stato quello di contattare i proprietari delle distillerie, costruire un rapporto di fiducia e convincerli a far entrare i ricercatori nelle loro strutture per prelevare campioni e "fare qualcosa di divertente", dice Barrios Cossio. I chimici dell'Università del Kentucky hanno costruito relazioni con distillerie dal Kentucky all'Illinois e persino al Canada per utilizzare i loro rifiuti.
Il team ha trasformato il liquame fradicio in una polvere nera fine trattando il prodotto di scarto con calore e pressione in un reattore da 10 litri. Da lì, la polvere nera è stata riscaldata, ad esempio, a 392 gradi Fahrenheit (200 gradi Celsius) in un forno, sia da sola per formare carbonio duro, sia con idrossido di potassio a 1.472 F (800 C) per formare carbone attivo. Il carbonio duro è come la grafite, ma con fogli di carbonio meno ordinatamente impilati, il che lo rende ideale per adsorbire più ioni di litio per aumentare la capacità di accumulo di energia. Il carbone attivo è estremamente poroso, il che significa che può immagazzinare grandi quantità di carica, e quindi di energia, all'interno della sua ampia superficie interna.
Per una prova di concetto, il team ha realizzato condensatori a doppio strato inserendo un elettrolita liquido tra elettrodi di carbone attivo. Nei test, questi supercondensatori delle dimensioni di una moneta sono stati in grado di immagazzinare fino a 48 wattora per chilogrammo, un valore pari a quello dei condensatori disponibili in commercio.
I ricercatori hanno anche sperimentato supercondensatori ibridi agli ioni di litio, progettati per raggiungere un compromesso tra la velocità di scarica dei condensatori e l'accumulo di energia delle batterie. Hanno quindi costruito dispositivi con un elettrodo di carbone attivo di tipo condensatore e un elettrodo di carbone duro di tipo batteria, entrambi infusi con ioni di litio. Questi supercondensatori derivati da stillage hanno immagazzinato fino a 25 volte l'energia per chilogrammo rispetto alle versioni convenzionali.
I supercondensatori agli ioni di litio sono anche un nuovo esempio di utilizzo di una fonte agricola per due diversi elettrodi in un unico dispositivo. "È stata una grande scoperta per me il fatto che si possano creare dispositivi ibridi da questi rifiuti", afferma Barrios Cossio. "I dispositivi ibridi non sono comuni. Non sono comuni e non sono facili da realizzare".
I prossimi passi dei ricercatori consistono nello studiare i meccanismi di immagazzinamento dell'energia dei supercondensatori derivati dalle acque di scarico per ottimizzarli in vista della commercializzazione. Il loro obiettivo è sviluppare versioni più grandi dei supercondensatori, in modo che un giorno questa tecnologia possa contribuire a stabilizzare la rete elettrica con l'integrazione di un maggior numero di fonti di energia rinnovabile. Più immediatamente, il team proseguirà l'analisi del ciclo di vita e le valutazioni di fattibilità economica e tecnologica per valutare la sostenibilità della conversione degli scarti della distilleria in dispositivi di accumulo energetico.
In generale, il team è entusiasta di aver trovato un prototipo di soluzione per un problema locale in collaborazione con il gruppo di Andrea Balducci dell'Università Friedrich Schiller di Jena, in Germania. "Questo progetto ci ha permesso di collegarci a un problema del mondo reale con le industrie del nostro Stato", dice Guzman, "e questo è stato molto bello".
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