almacenamiento energía, baterías de flujo
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| Una batería de flujo es esencialmente una batería recargable. A diferencia de otras baterías, consta de electrolitos que fluyen desde las celdas electroquímicas hasta los tanques. Los electrolitos pueden abarcar diferentes tipos de químicas. Las baterías de flujo actualmente brindan de 10 a 12 horas de almacenamiento de energía, con la posibilidad de alcanzar más de 100 horas en el futuro. Son un método fiable, económico y sostenible de almacenamiento de energía eléctrica. Imagen: Foro Internacional de Baterías de Flujo (IFBF) |
Las baterías de flujo son una tecnología nueva y prometedora para el almacenamiento en red . En lugar de las baterías estándar que almacenan la carga en un material sólido, utilizan una solución para almacenar esa carga, lo que facilita mucho el almacenamiento de electricidad a gran escala y de larga duración . Los electrolitos de vanadio han sido la opción preferida hasta ahora, pero los suministros asequibles son limitados y se necesitará una alternativa más barata para la ampliación global .
09 junio 2023.- En las próximas décadas, las fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, dominarán cada vez más la red eléctrica convencional. Debido a que esas fuentes solo generan electricidad cuando hace sol o viento, garantizar una red confiable, que pueda entregar energía las 24 horas del día, los 7 días de la semana, requiere algún medio para almacenar electricidad cuando los suministros son abundantes y entregarla más tarde cuando no lo son. Y debido a que puede haber horas e incluso días sin viento, por ejemplo, algunos dispositivos de almacenamiento de energía deben poder almacenar una gran cantidad de electricidad durante mucho tiempo.
Una tecnología prometedora para realizar esa tarea es la batería de flujo, un dispositivo electroquímico que puede almacenar cientos de megavatios-hora de energía , suficiente para mantener miles de hogares funcionando durante muchas horas con una sola carga. Las baterías de flujo tienen el potencial de una larga vida útil y bajos costos en parte debido a su diseño inusual. En las baterías cotidianas que se usan en teléfonos y vehículos eléctricos, los materiales que almacenan la carga eléctrica son recubrimientos sólidos en los electrodos. "Una batería de flujo toma esos materiales de almacenamiento de carga de estado sólido, los disuelve en soluciones de electrolitos y luego bombea las soluciones a través de los electrodos", dice Fikile Brushett, profesor asociado de ingeniería química en el MIT. Ese diseño ofrece muchos beneficios y plantea algunos desafíos.
Baterías de flujo: diseño y funcionamiento
Una batería de flujo contiene dos sustancias que experimentan reacciones electroquímicas en las que se transfieren electrones de una a otra. Cuando la batería se está cargando, la transferencia de electrones fuerza a las dos sustancias a un estado que es "energéticamente menos favorable" ya que almacena energía adicional. Cuando la batería se descarga, la transferencia de electrones cambia las sustancias a un estado energéticamente más favorable a medida que se libera la energía almacenada.
Diseño y operación de una batería de flujo. Los electrolitos negativos y positivos en tanques grandes contienen átomos o moléculas que pueden reaccionar electroquímicamente para liberar o almacenar electrones. Las bombas envían los electrolitos a través de bucles separados a electrodos porosos que están separados por una membrana. Cuando la batería entrega energía, los electrones liberados por las reacciones en un lado viajan al otro lado, pasando por un circuito externo y alimentando dispositivos en la red. Ese movimiento obliga a otras especies cargadas llamadas iones a pasar a través de la membrana de un electrolito al otro para mantener el sistema eléctricamente neutro. Durante la carga, se produce el conjunto opuesto de flujos y reacciones a medida que la batería almacena energía / Fuente: Dorothy Loudermilk, SCS Graphic Services, Universidad de Illinois Urbana-Champaign
En el núcleo de una batería de flujo hay dos grandes tanques que contienen electrolitos líquidos, uno positivo y otro negativo . Cada electrolito contiene "especies activas" disueltas: átomos o moléculas que reaccionarán electroquímicamente para liberar o almacenar electrones. Durante la carga, una especie se “oxida” (libera electrones) y la otra se “reduce” (gana electrones); durante la descarga, intercambian roles. Las bombas se utilizan para hacer circular los dos electrolitos a través de electrodos separados., cada uno hecho de un material poroso que proporciona abundantes superficies sobre las que pueden reaccionar las especies activas. Una membrana delgada entre los electrodos adyacentes evita que los dos electrolitos entren en contacto directo y posiblemente reaccionen, lo que liberaría calor y desperdiciaría energía que, de lo contrario, podría usarse en la red.
Cuando la batería se está descargando, las especies activas en el lado negativo se oxidan, liberando electrones que fluyen a través de un circuito externo hacia el lado positivo, haciendo que las especies allí se reduzcan. El flujo de esos electrones a través del circuito externo puede alimentar la red. Además del movimiento de los electrones, los iones de "soporte" (otras especies cargadas en el electrolito) pasan a través de la membrana para ayudar a completar la reacción y mantener el sistema eléctricamente neutro.
Una vez que todas las especies han reaccionado y la batería está totalmente descargada, se puede recargar el sistema. En ese proceso, la electricidad de las turbinas eólicas, las granjas solares y otras fuentes de generación impulsa las reacciones inversas . Las especies activas en el lado positivo se oxidan para liberar electrones a través de los cables hacia el lado negativo, donde se reincorporan a sus especies activas originales. La batería ahora está reiniciada y lista para enviar más electricidad cuando sea necesario. Brushett agrega: "La batería se puede reciclar de esta manera una y otra vez durante años".
Beneficios…
Una gran ventaja de este diseño de sistema es que el lugar donde se almacena la energía (los tanques) está separado del lugar donde ocurren las reacciones electroquímicas (el llamado reactor, que incluye los electrodos porosos y la membrana). Como resultado, la capacidad de la batería (cuánta energía puede almacenar) y su potencia (la velocidad a la que se puede cargar y descargar) se pueden ajustar por separado. “Si quiero tener más capacidad, puedo hacer los tanques más grandes”, explica Kara Rodby PhD '22, ex miembro del laboratorio de Brushett y ahora analista técnica en Volta Energy Technologies . “Y si quiero aumentar su potencia, puedo aumentar el tamaño del reactor”. Esa flexibilidad hace posible diseñar una batería de flujo para adaptarse a una aplicación particular y modificarla si es necesario cambiar en el futuro .
…y desafíos (degradación “cruzada”)
Sin embargo, el electrolito en una batería de flujo puede degradarse con el tiempo y el uso . Si bien todas las baterías experimentan degradación de electrolitos, las baterías de flujo en particular sufren una forma de degradación relativamente más rápida llamada "cruce". La membrana está diseñada para permitir el paso de pequeños iones de apoyo y bloquear las especies activas más grandes, pero en realidad, no es perfectamente selectiva. Algunas de las especies activas en un tanque pueden filtrarse (o “cruzarse”) y mezclarse con el electrolito en el otro tanque. Las dos especies activas pueden entonces reaccionar químicamente, descargando efectivamente la batería. Incluso si no lo hacen, algunas de las especies activas ya no están en el primer tanque al que pertenecen, por lo que la capacidad total de la batería es menor.
La capacidad de recuperación perdida por el cruce requiere algún tipo de remediación, por ejemplo, reemplazar el electrolito en uno o ambos tanques o encontrar una manera de restablecer los "estados de oxidación" de las especies activas en los dos tanques. (El estado de oxidación es un número asignado a un átomo o compuesto para saber si tiene más o menos electrones de los que tiene cuando está en su estado neutral). Tal remediación es más fácil, y por lo tanto más rentable, ejecutada en una batería de flujo. porque se puede acceder más fácilmente a todos los componentes que en una batería convencional .
El estado del arte: el vanadio
Un factor crítico en el diseño de baterías de flujo es la química seleccionada. Los dos electrolitos pueden contener diferentes productos químicos, pero hoy en día la configuración más utilizada tiene vanadio en diferentes estados de oxidación en los dos lados. Ese arreglo aborda los dos principales desafíos con las baterías de flujo.
Primero, el vanadio no se degrada . “Si pones 100 gramos de vanadio en tu batería y regresas en 100 años, deberías poder recuperar 100 gramos de ese vanadio, siempre que la batería no tenga algún tipo de fuga física”, dice Brushett.
Y segundo, si parte del vanadio en un tanque fluye a través de la membrana hacia el otro lado, no hay contaminación cruzada permanente de los electrolitos , solo un cambio en los estados de oxidación, que se remedia fácilmente reequilibrando los volúmenes de electrolitos. y restaurar el estado de oxidación a través de un paso de carga menor. La mayoría de los sistemas comerciales actuales incluyen una tubería que conecta los dos tanques de vanadio que transfiere automáticamente una cierta cantidad de electrolito de un tanque al otro cuando los dos se desequilibran.
¿Escasez futura de vanadio?
Sin embargo, a medida que la red esté cada vez más dominada por las energías renovables, se necesitarán cada vez más baterías de flujo para proporcionar un almacenamiento de larga duración. La demanda de vanadio crecerá y eso será un problema. “El vanadio se encuentra en todo el mundo, pero en cantidades diluidas, y extraerlo es difícil”. Hay lugares limitados, principalmente en Rusia, China y Sudáfrica, donde se produce, y la cadena de suministro no es confiable. Como resultado, los precios del vanadio son altos y extremadamente volátiles, un impedimento para el amplio despliegue de la batería de flujo de vanadio.
Precios de vanadio y precios de electrolitos correspondientes desde 1980 hasta 2021. El eje Y de la izquierda mide el precio de mercado del pentóxido de vanadio, una fuente común de vanadio que se vende en el mercado mundial. El eje Y de la derecha traduce esos precios en precios de electrolitos a base de vanadio para baterías de flujo. La magnitud y volatilidad de los precios del vanadio se considera un impedimento clave para el amplio despliegue de baterías de flujo de vanadio. Tenga en cuenta el aumento de 10 veces entre el precio a principios de 2016 y el precio máximo a finales de 2018.
Más allá del vanadio
La pregunta entonces es: si no es vanadio, ¿entonces qué? Investigadores de todo el mundo están tratando de responder a esa pregunta, y muchos se están enfocando en químicas prometedoras utilizando materiales que son más abundantes y menos costosos que el vanadio. Pero no es tan fácil, señala Rodby. Mientras que otras químicas pueden ofrecer costos de capital iniciales más bajos, pueden ser más costosas de operar con el tiempo . Pueden requerir mantenimiento periódico para rejuvenecer uno o ambos de sus electrolitos.
De hecho, comparar la economía de diferentes opciones es difícil porque "hay muchas variables dependientes". Una batería de flujo es un sistema electroquímico, lo que significa que hay múltiples componentes trabajando juntos para que el dispositivo funcione. Por eso, si estás tratando de mejorar un sistema (rendimiento, coste, lo que sea), es muy difícil porque cuando tocas una cosa, otras cinco cosas cambian.
Entonces, ¿cómo podemos comparar estas químicas nuevas y emergentes, de manera significativa, con los sistemas de vanadio actuales? ¿Y cómo los comparamos entre sí, para saber cuáles son más prometedores y cuáles son los peligros potenciales de cada uno?
La modelización tecnoeconómica como guía
Una buena manera de comprender y evaluar la viabilidad económica de las tecnologías energéticas nuevas y emergentes es utilizar modelos tecnoeconómicos. Con ciertos modelos, se puede contabilizar el costo de capital de un sistema definido y, según el rendimiento proyectado del sistema, los costos operativos a lo largo del tiempo, generando un costo total descontado durante la vida útil del sistema . Ese resultado permite a un comprador potencial comparar opciones sobre la base de un "costo nivelado de almacenamiento" .
Utilizando ese enfoque, Los científicos desarrollaron un marco para estimar el costo nivelado de las baterías de flujo. El marco incluye un modelo físico dinámico de la batería que realiza un seguimiento de su rendimiento a lo largo del tiempo, incluidos los cambios en la capacidad de almacenamiento. Por lo tanto, los costos operativos calculados cubren todos los servicios requeridos durante décadas de operación , incluidos los pasos de remediación tomados en respuesta a la degradación y cruce de especies.
Sería imposible analizar todas las químicas posibles, por lo que los investigadores se centraron en ciertas clases. Primero, redujeron las opciones a aquellas en las que las especies activas se disuelven en agua. Los sistemas acuosos están más avanzados y es más probable que tengan éxito comercial. Luego, limitaron sus análisis a químicas "asimétricas"; es decir, configuraciones que utilizan diferentes materiales en los dos tanques. Finalmente, dividieron las posibilidades en dos clases: especies que tienen una vida útil finita y especies que tienen una vida útil infinita; es decir, los que se degradan con el tiempo y los que no.
Los resultados de sus análisis no son claros; no hay una química particular que lidere el grupo. Pero sí brindan pautas generales para elegir y seguir las diferentes opciones.
Materiales de vida finita
Mientras que el vanadio es un solo elemento, los materiales de vida finita son típicamente moléculas orgánicas formadas por múltiples elementos, entre ellos el carbono. Una ventaja de las moléculas orgánicas es que pueden sintetizarse en un laboratorio ya escala industrial, y la estructura puede modificarse para adaptarse a una función específica. Por ejemplo, la molécula se puede hacer más soluble, por lo que habrá más presente en el electrolito y la densidad de energía del sistema será mayor; o se puede hacer más grande para que no pase por la membrana y cruce al otro lado. Finalmente, las moléculas orgánicas se pueden hacer a partir de elementos simples, abundantes y de bajo costo , potencialmente incluso de flujos de desechos de otras industrias.
A pesar de esas características atractivas, hay dos preocupaciones. Primero, las moléculas orgánicas probablemente tendrían que fabricarse en una planta química, y actualizar los precursores de bajo costo según sea necesario puede resultar más costoso de lo deseado. En segundo lugar, estas moléculas son estructuras químicas grandes que no siempre son muy estables, por lo que son propensas a la degradación .
Coste nivelado de almacenamiento en función del coste del electrolito. Estas curvas muestran cómo el costo del electrolito en un sistema asimétrico con materiales de vida finita afecta el costo nivelado de almacenamiento (LCOS), suponiendo una tasa de descomposición constante y dos métodos de remediación: separar, recuperar y reutilizar las especies decaídas (en verde ) y reemplazando totalmente el electrolito (en rojo). Las líneas discontinuas asumen una tarifa de servicio de remediación de $4/kilovatio-hora, las líneas punteadas una tarifa de servicio de $20/kilovatio-hora. La línea azul horizontal es el costo de un electrolito de vanadio, presentado como línea base para comparación. Claramente, el costo nivelado en los sistemas de vida útil finita depende en gran medida tanto del costo del electrolito como del método utilizado para remediar las especies en descomposición.
La investigación está en curso, pero en la actualidad, a los autores del estudio les resulta difícil defender las químicas de vida finita, principalmente en función de sus costos de capital. Citando estudios que han estimado los costes de fabricación de estos materiales, las opciones actuales no se pueden hacer a costes lo suficientemente bajos como para ser económicamente viables. “Son más baratos que el vanadio, pero no lo suficientemente baratos”, dicen los autores del estudio.
Los resultados envían un mensaje importante a los investigadores que diseñan nuevos productos químicos utilizando moléculas orgánicas: asegúrese de considerar los desafíos operativos desde el principio. El equipo del MIT recomienda que la comprensión de los posibles mecanismos de descomposición y cómo podrían revertirse o remediarse de manera rentable debe ser un criterio de diseño inicial.
Especies de vida infinita
Las especies de vida infinita incluyen materiales que, como el vanadio, no se van a descomponer. Los candidatos más probables son otros metales; Por ejemplo, hierro o manganeso. Estos son productos químicos a escala de productos básicos que sin duda serán de bajo coste.
Aquí, los investigadores encontraron que hay un "espacio de diseño" más amplio de opciones factibles que podrían competir con el vanadio. Pero aún quedan desafíos por abordar. Si bien estas especies no se degradan, pueden desencadenar reacciones secundarias cuando se usan en una batería. Por ejemplo, muchos metales catalizan la formación de hidrógeno, lo que reduce la eficiencia y agrega otra forma de pérdida de capacidad . Si bien hay formas de lidiar con el problema de la evolución del hidrógeno, aún se necesita una solución efectiva y de bajo costo para las altas tasas de esta reacción secundaria.
El tiempo es la esencia
Los investigadores enfatizan la urgencia de la amenaza del cambio climático y la necesidad de tener listos sistemas de almacenamiento de larga duración a escala de red. Se están analizando muchas químicas ahora, pero necesitamos perfeccionar algunas soluciones que realmente puedan competir con el vanadio y puedan implementarse pronto y operarse a largo plazo.
El marco tecnoeconómico pretende ayudar a guiar ese proceso. Puede calcular el costo nivelado de almacenamiento para diseños específicos para compararlos con los sistemas de vanadio y entre sí. Puede identificar brechas críticas en el conocimiento relacionado con la operación o remediación a largo plazo, identificando así el desarrollo de tecnología o las investigaciones experimentales que deben priorizarse. Y puede ayudar a determinar si la compensación entre menores costos iniciales y mayores costes operativos tiene sentido en estos productos químicos de próxima generación .
La buena noticia, es que los avances logrados en la investigación de un tipo de química de batería de flujo a menudo se pueden aplicar a otros. El campo ha avanzado no solo en la comprensión sino también en la capacidad de diseñar experimentos que abordan problemas comunes a todas las baterías de flujo, lo que ayuda a preparar la tecnología para su importante papel de almacenamiento a escala de red en el futuro.
Fuente: MIT News
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