Las
baterías de flujo, una tecnología viable.
Es muy
interesante observar como tecnologías
que fueron dejadas de lado tiempo atrás se desempolvan hoy favorecidas por
diversos factores, como por ejemplo, una tecnología de control más sofisticada,
menores costos, necesidad de descarbonizar
el planeta, etc. Tal es el caso de
este tipo de dispositivos. En 1884, Charles Renard usó por primera vez
una enorme batería de flujo de más de 450 kilos para propulsar el gigantesco
dirigible La France. En los años 50 y 70 se realizaron avances a la hora de
almacenar energía en líquidos. De hecho, la NASA produjo la primera batería de
flujo redox de hierro y cromo.
Hoy ante la necesidad de que las energías renovables se
encarguen del grueso de nuestras necesidades energéticas, regular su
intermitencia es uno de los grandes
retos a superar. Algo que llevará a una maximización del sistema eléctrico que
tendrá un elevado costo económico, o al uso de sistemas de almacenamiento en su
mayor parte con un costo muy elevado. Pero hay soluciones ya en funciones que
pueden ayudar a facilitar esta transformación del sector.
Las baterías de flujo redox (oxidación/reducción).
Redflow completes the 2 MWh energy storage system for
Anaergia in California.
Fuente: https://redflow.com/redflow-anaergia-update-december-2021/
Una tecnología que hoy nos ofrece una alternativa viable técnica y
económicamente para ser un respaldo para las energías renovables, pero también
como alternativa al gas natural o el carbón para cubrir los picos de demanda.
La noticia en https://redflow.com/redflow-anaergia-update-december-2021/,
nos dice que:
La empresa australiana
Redflow acaba de poner en marcha la que es su mayor instalación de baterías de
flujo hasta la fecha. El sistema de almacenamiento está formado por 192
baterías de flujo de zinc-bromuro, diseñado para almacenar hasta 2 MWh de
energía y ayudar a reducir los picos de demanda en una planta de bioenergía en
California.
Una solución que en
vez del litio, optar por un sistema de bromuro de cinc (ZnBr2) que se almacena
en dos tanques. Un tanque almacena el electrolito positivo y el otro el
negativo. Se trata de una reacción reversible que genera electricidad cuando
ocurre y que puede volver a su origen aportando la misma.
El proyecto ha
permitido crear una microrred formado por las baterías, un sistema de
acondicionamiento de biogás para apoyar una unidad de cogeneración alimentada
con biogás de 2 MW y un sistema de control de la microrred. El sistema de
batería se compone de 12 módulos de 160 kWh cada uno agrupados en cuatro
cadenas y conectados a cuatro inversores Dynapower de 125 kW por unidad.
Entre los beneficios
de esta tecnología está su elevada vida útil. Según sus desarrolladores, pueden
soportar más de 10 años de uso sin notar pérdida de rendimiento en unos
procesos de carga y descarga que pueden llegar al 100%. Una cifra que podemos
comparar con el 60% de las baterías de plomo, o el 80-90% de las de litio.
Detalle de
funcionamiento básico
Una batería
de flujo redox trabaja con energía eléctrica y energía química en forma de
electrolito líquido. Entre varios tipos de baterías de flujo, la batería de
flujo redox de vanadio es la más desarrollada. Cada celda dispone de dos
electrodos de vanadio (con distintos estados de oxidación), separados por una
membrana, a través de los cuales se bombea el electrolito y en los que se
producen reacciones de oxidación-reducción, alterándose el estado de oxidación
del vanadio, según tome o ceda electrones.
La
estructura y las reacciones de carga-descarga de las baterías de flujo redox de
vanadio se muestran esquemáticamente en la figura siguiente. Durante la
descarga, se produce una reducción en el cátodo y la oxidación en el ánodo,
como se muestra en las ecuaciones (descarga: →, carga: ←). Mientras ocurren
estas reacciones redox, los iones de protones se difunden a través de la
membrana y los electrones se transfieren a través de un circuito externo.
El voltaje
de celda estándar para las baterías de flujo redox completamente de vanadio es
1.26 V. A una temperatura, un valor de pH y concentraciones dadas de especies
de vanadio, el voltaje de la celda se puede calcular según la ecuación de
Nernst:
(La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial
de reducción de un electrodo fuera de las condiciones estándar (concentración 1
M, presión de 1 atm, temperatura de 298 K o 25 °C))
Diversas combinaciones
Almacenan
energía en dos sustancias solubles contenidas en dos tanques externos de electrolitos. Estos
electrolitos pueden ser bombeados desde los tanques hasta el conjunto de celdas
que consta de dos compartimientos por donde fluye el electrolito separados por
una membrana. La operación está basada en una reacción de reducción-oxidación
entre las soluciones de electrolitos.
Los distintos tipos son baterías recargables donde la
recarga es proporcionada por dos componentes químicos, disueltos en líquidos
contenidos dentro del sistema y separados por la
membrana.
Se pueden
combinar diferentes elementos con el correspondiente resultado:
Las baterías
de flujo
permiten diseñar de forma
independiente el módulo de potencia añadiendo más
celdas
y el módulo de energía (añadiendo más cantidad de electrolito poniendo
unos depósitos mayores). Esto proporciona flexibilidad al diseñador,
permitiendo ofrecer una solución ajustada a la necesidad que se pretenda
satisfacer, bien sea mucha potencia en periodos cortos o una descarga durante
periodos más largos.
Una batería de flujo es técnicamente similar tanto a una
pila de combustible, como a una celda electroquímica (reversibilidad
electroquímica).
Aunque tiene ventajas técnicas, tales como depósitos de
líquidos separables potencialmente y casi longevidad ilimitada sobre la mayoría
de las pilas recargables convencionales. Otro aspecto positivo es que este tipo
de acumuladores pueden trabajar en condiciones de calor extremo, hasta 50
grados centígrados, y de forma segura por la separación física de sus
componentes y el líquido retardante del que están formados. Factores a los que
se suman su facilidad para ser recicladas una vez terminada su vida útil ya que
su cuerpo está formado por plástico, aluminio y acero, mientras que el
electrolito se puede quitar y limpiar y utilizar en una nueva batería. Por
último se aspira a una eficiencia del 99% y una vida útil de 1.900 ciclos.
Aplicaciones
Tienen la
capacidad de actuar rápidamente ante demandas de energía debido a su alta
respuesta de carga/descarga y pueden proporcionar altas potencias durante
cortos periodos de tiempo; sin embargo, poseen baja densidad de energía por
volumen por lo que es necesario el uso de varias celdas para igualar la
potencia en comparación a otras baterías. Como se dijo más arriba, la potencia
depende del tamaño y número de electrodos y la capacidad de almacenamiento de
energía depende del volumen de los tanques de almacenamiento de electrolito
externos, esto hace el sistema altamente escalable y simple.
Ejemplo sobre la red eléctrica: Por
ejemplo, considerando de 0 a 24 hs de un día determinado, el precio del MW-h
y la procedencia de la producción de la energía eléctrica, se puede dar la
siguiente secuencia. Durante las
primeras horas las baterías comienzan a cargarse, debido a que los precios del
mercado son lo suficientemente bajos, período valle, comprando energía entre
las horas 1 y 6. Posteriormente, entre las horas 7 y 8, comienzan a subir poco
a poco los precios, y las baterías se mantienen en reposo, a la espera de que se
alcancen unos precios máximos, período de pico. Uno de estos períodos pico
sucede desde el comienzo de la hora 9 hasta el final de la hora 11, donde las
baterías venden parte de la energía acumulada y se descargan parcialmente.
Después se
mantiene nuevamente en reposo hasta el final de la hora 20 a la espera de un nuevo
incremento de los precios. Entre las horas 21 y 22, la batería se descarga
completamente, vendiendo la energía restante, no realizándose actuación alguna
durante las dos últimas horas del día.
Ejemplo sobre la movilidad eléctrica:
Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Química ICT (Alemania),
ven una alternativa en las baterías de flujo
redox. “Estas baterías se basan en electrolitos fluidos. Por lo tanto, se
pueden recargar en la estación de servicio en unos minutos: el electrolito
descargado simplemente se bombea y se reemplaza con líquido recargado”, dice el
ingeniero Jens Noack de ICT.
“El
electrolito extraído se puede recargar en la gasolinera, por ejemplo, mediante
una turbina eólica o una planta solar”.
Como ya he comentado en otras publicaciones, estoy
convencido que en la medida que vamos incorporando generación eléctrica
renovable debemos integrar sistemas de almacenamiento de electricidad. Y no
hay, no creo lo vaya a haber, una tecnología que se imponga totalmente sobre
otra. Hay un amplio abanico de posibilidades de aplicaciones tecnológicas y
dependerá de las singularidades del proyecto en particular cual aplicar tanto
para sistemas eléctricos como para movilidad eléctrica.
Ing. Ricardo
Berizzo
Cátedra:
Movilidad Eléctrica
U.T.N.
Regional Rosario 2022.-
