El almacenamiento de energía: tecnología de baterías a escala de servicios públicos

 

El  almacenamiento de energía: tecnología de baterías a escala de servicios públicos

Las baterías han pasado de ser un componente barato de pequeños aparatos electrónicos a un componente clave y costoso en la revolución de los vehículos eléctricos. Pero hay otro segmento además de la movilidad que requiere una cantidad cada vez mayor de capacidad de batería: la red eléctrica.

 Las energías renovables están creciendo como parte de la generación total de energía eléctrica. Pero también son más intermitentes que las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles, ya que producen energía principalmente cuando brilla el sol o sopla el viento. Es posible que esto no coincida con el momento de mayor demanda, a menudo por la noche o en invierno. La red eléctrica no almacena electricidad, pero debe estar equilibrada entre producción y consumo en todo momento.

Entonces, cuanta más generación de energías renovables, más baterías se necesitarán para mantener estable la red eléctrica. Esta es un área importante de nueva inversión en energía, con proyectos de baterías a escala de servicios públicos programados para triplicar con creces la capacidad actual.

Según datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), los sistemas de almacenamiento deberían alcanzar más de 1.000GW en 2030 para cumplir con los objetivos de energía neta cero, es decir, se produce la misma cantidad de energía renovable que la que consume a lo largo de un período.

 

Lo viejo es nuevo otra vez

Las baterías de metal-hidrógeno existen desde hace mucho tiempo y se han utilizado en algunas aplicaciones espaciales sorprendentes, que han demostrado ser confiables en misiones largas en las severas condiciones. Los avances recientes en las baterías de metal-hidrógeno las han hecho más atractivas para aplicaciones de redes eléctricas.

La batería de flujo redox es otra tecnología de batería establecida que ha estado llamando la atención últimamente a medida que los investigadores mejoran sus características. Básicamente, una batería de flujo redox consta de dos tanques y almacena energía en electrolitos líquidos que contienen iones. Los dos electrolitos se bombean a través de electrodos separados por una fina membrana. La membrana mantiene separados los dos fluidos, pero permite el intercambio de iones que producen corriente. Estas baterías convencionales de flujo redox son extremadamente voluminosas, con sus grandes tanques que contienen grandes volúmenes de electrolitos y tienen una baja densidad de energía.

 Aún así, los principios detrás de la tecnología de flujo redox han demostrado que la generación de  potencia y la capacidad  energética se pueden incrementar aumentando el volumen de la batería. Como resultado, varias empresas han desarrollado baterías de flujo redox convencionales para aplicaciones de almacenamiento de energía a escala de servicios públicos. Durante la última década, las investigaciones sobre el flujo redox descubrieron que la capacidad se puede aumentar con la tecnología de nanofluidos. Los nanofluidos son más densos en energía y pueden permanecer suspendidos en el fluido indefinidamente. Este nanoelectrocombustible (NEF, Nano-ElectroFuel) ha actualizado la aplicación de  las baterías de flujo redox.

(Nota: Una reacción química de oxidación–reducción, o reacción redox, es una reacción en la que hay una transferencia de electrones entre los átomos, los iones o las moléculas que intervienen en la reacción. Todo el tiempo se producen reacciones redox a nuestro alrededor: en la quema de combustibles, la corrosión de metales e incluso en los procesos de fotosíntesis y respiración celular)

  

Conociendo el interior de la batería.

 

 Como se muestra en la figura, los electrolitos catódicos y anódicos se almacenan externamente a la batería y circulan a través del reactor según sea necesario, proporcionando potencia y  capacidad de almacenamiento de energía. Las principales limitaciones de las baterías de flujo tradicionales a base de electrolito en aplicaciones de transporte son las densidades de baja energía (40-80 Wh/L) debido a la limitada solubilidad de las sales redox. En lugar de sales redox, la tecnología NEF utiliza dispersiones estables de nanomateriales de cátodos sólidos y ánodo en electrolitos acuosos. La energía eléctrica se almacena en nanopartículas redox, que en modo de descarga sufren una reacción electroquímica espontánea dentro de la pila de células de flujo con NEF catódica siendo reducida y NEF anódica siendo oxidado. La diferencia entre los potenciales electroquímicos para reacciones catódicas y anódicas redox define el potencial celular. En condiciones de reposo de estado estacionario, los NEF catódicos y anódicos pueden almacenarse por separado del dispositivo. 

 

  Batería de flujo de nanoelectrocombustible

La batería de flujo de nanoelectrocombustible utiliza cuatro tanques, dos para electrolitos cargados y dos para electrolitos descargados, junto con bombas y membranas. Los nanofluidos ocupan un espacio mucho más pequeño por lo que la configuración es más compacta. Los fluidos NEF tienen una densidad de energía mayor en comparación con los fluidos de batería redox convencionales. Un comunicado de prensa de Influit Energy (Chicago, USA) dijo que han desarrollado una batería de flujo NEF que tiene una densidad de energía un 23% más alta que las baterías de iones de litio y es más barata. Proyectan que su batería NEF de segunda generación debería tener 5 veces la densidad de energía de las baterías de iones de litio actuales, y no son inflamables ni explosivas. Esto es: una densidad de energía por volumen un 23% mayor que las baterías de iones de litio (entre 350 y 550 Wh/l) a mitad de costo. La segunda generación de este sistema, ofrecerá una densidad energética 550-750 Wh/kg a un tercio del costo.

 

Aplicaciones

Una batería EV NEF-flow proporciona la autonomía que necesitan los vehículos eléctricos. Además, las baterías de flujo NEF se pueden recargar como baterías de iones de litio, pero también permiten recargar la batería quitando el electrolito agotado y reemplazándola con electrolito cargado. Es un proceso de aproximadamente 5 minutos y es un punto de inflexión para los vehículos eléctricos.

 

En el lado de los servicios públicos, las baterías de flujo NEF de almacenamiento de energía a escala de red también tienen mucho que ofrecer. Son más respetuosas con el medio ambiente que las baterías de iones de litio debido a los materiales que utilizan y a que tienen un ciclo de vida más largo. Se estima que estas baterías de flujo NEF se pueden cargar/descargar al menos 30.000 veces durante su vida útil, lo que es mucho mejor que las baterías de iones de litio.

No obstante, las baterías de flujo y los nanoelectrocombustibles tienen un inconveniente: hay que crear todo un ecosistema para que funcione. No sólo se están desarrollando los electrocombustibles, también las refinerías necesarias para fabricarlos, los dispositivos que extraerán la energía, los sistemas de administración de los tanques para mantener los fluidos separados y para retener el combustible gastado o la red de recarga. Según todos los indicios, las baterías de flujo NEF parecen estar listas para generalizarse y convertirse en una tecnología disruptora  en el almacenamiento de energía que debemos observar.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Eléctrico                                                                           2024.-