Un equipo interdisciplinario del MIT ha descubierto que una tecnología electroquímica llamada batería de flujo semisólido puede ser una forma rentable de almacenamiento de energía y respaldo para fuentes de energía renovable variable (ERV) como la eólica y la solar. La investigación del grupo se describe en un artículo publicado en Joule.
"La transición a la energía limpia requiere sistemas de almacenamiento de energía de diferentes duraciones para cuando el sol no brilla y el viento no sopla", dice Emre Gençer, científico investigador de la Iniciativa de Energía del MIT (MITEI) y miembro de la equipo. “Nuestro trabajo demuestra que una batería de flujo semisólido podría salvar vidas y ser una opción económica cuando estas fuentes no pueden generar energía durante un día o más, en el caso de desastres naturales, por ejemplo”.
La batería recargable de dióxido de zinc-manganeso (Zn-MnO ~2~ ) que crearon los investigadores venció a otros competidores de almacenamiento de energía de larga duración. “Realizamos un análisis exhaustivo de abajo hacia arriba para comprender cómo la composición de la batería afecta el rendimiento y el costo, analizando todas las compensaciones”, dice Thaneer Malai Narayanan. "Demostramos que nuestro sistema puede ser más económico que otros y puede ampliarse".
Narayanan, quien realizó este trabajo en el MIT como parte de su doctorado en ingeniería mecánica, es el autor principal del artículo. Otros autores son Gençer, Yunguang Zhu, un postdoctorado en el Laboratorio de Energía Electroquímica del MIT; Gareth McKinley, profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería y profesor de ingeniería mecánica en el MIT; y Yang Shao-Horn, profesor de ingeniería JR East, profesor de ingeniería mecánica y de ciencia e ingeniería de materiales, y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE), que dirige el Laboratorio de Energía Electroquímica del MIT.
En 2016, Narayanan comenzó sus estudios de posgrado, uniéndose al Laboratorio de Energía Electroquímica, un semillero de investigación y exploración de soluciones para mitigar el cambio climático, que se centra en la química innovadora de baterías y la descarbonización de combustibles y productos químicos. Una oportunidad emocionante para el laboratorio: desarrollar sistemas de energía de respaldo adecuados para las necesidades a escala de la red cuando la generación de energía renovable falla.
Si bien el laboratorio arrojó una amplia red, investigando la conversión y el almacenamiento de energía utilizando celdas de combustible de óxido sólido, baterías de iones de litio y baterías de metal-aire, entre otras, Narayanan tomó un interés particular en las baterías de flujo. En estos sistemas, dos soluciones químicas (electrolitos) diferentes con iones negativos o positivos se bombean desde tanques separados, que se encuentran a través de una membrana (llamada pila). Aquí, las corrientes de iones reaccionan, convirtiendo la energía eléctrica en energía química, de hecho, cargando la batería. Cuando hay demanda de esta energía almacenada, la solución se bombea de regreso a la chimenea para convertir la energía química en energía eléctrica nuevamente.
“Para el respaldo que dura más de un día, la arquitectura de las baterías de flujo sugiere que pueden ser una opción barata”, dice Narayanan. "La solución en los tanques se recarga con fuentes de energía solar y eólica". Esto hace que todo el sistema esté libre de carbono.
Pero si bien la promesa de las tecnologías de baterías de flujo ha llamado la atención durante al menos una década, el rendimiento desigual y el gasto de los materiales necesarios para estos sistemas de baterías ha ralentizado su implementación. Por lo tanto, Narayanan emprendió un ambicioso viaje: diseñar y construir una batería de flujo que pudiera respaldar los sistemas eléctricos durante un día o más, almacenando y descargando energía con la misma o mayor eficiencia que sus rivales de respaldo; y determinar, mediante un riguroso análisis de costos, si dicho sistema podría resultar económicamente viable como opción energética de larga duración.
Para afrontar este desafío de múltiples frentes, el proyecto de Narayanan reunió, en sus palabras, “tres gigantes, científicos todos reconocidos en sus campos”: Shao-Horn, que se especializa en física química y ciencia electroquímica y diseño de materiales; Gençer, quien crea modelos económicos detallados de sistemas energéticos emergentes en MITEI; y McKinley, experto en reología, la física del flujo. Estos tres también le sirvieron como asesores de la tesis.
“Estaba emocionado de trabajar en un equipo tan interdisciplinario, que ofrecía una oportunidad única para crear una arquitectura de batería novedosa mediante el diseño de la transferencia de carga y el transporte de iones dentro de electrodos semisólidos fluidos, y para guiar la ingeniería de baterías utilizando la tecnoeconomía de tales baterías fluidas ”, Dice Shao-Horn.
Si bien otros sistemas de baterías de flujo en disputa, como la batería de flujo redox de vanadio, ofrecen la capacidad de almacenamiento y la densidad de energía para respaldar megavatios y sistemas de energía más grandes, dependen de ingredientes químicos costosos que los convierten en una mala apuesta para propósitos de larga duración. Narayanan estaba buscando componentes químicos menos costosos que también presentaran un rico potencial energético.
A través de una serie de experimentos de banco, los investigadores encontraron un nuevo electrodo (conductor eléctrico) para el sistema de la batería: una mezcla que contiene partículas dispersas de dióxido de manganeso (MnO ~2~ ), inyectadas con un aditivo conductor de electricidad, carbón negro. Este compuesto reacciona con una solución de zinc conductora o una placa de zinc en la pila, lo que permite una conversión de energía electroquímica eficiente. Las propiedades fluidas de esta batería están muy alejadas de las soluciones acuosas utilizadas por otras baterías de flujo.
“Es un semisólido, una lechada”, dice Narayanan. “Como pintura negra espesa, o tal vez un helado suave”, sugiere McKinley. El negro del carbón agrega el pigmento y el golpe eléctrico. Para llegar a la mezcla electroquímica óptima, los investigadores ajustaron su fórmula muchas veces.
En su ronda final de estudios, Gençer y Narayanan compararon la batería de Zn-MnO ~2~ con un conjunto de baterías electroquímicas equivalentes y sistemas de respaldo de hidrógeno, analizando los costos de capital de su funcionamiento en duraciones de ocho, 24 y 72 horas. Sus hallazgos los sorprendieron: para descargas de batería de más de un día, su batería de flujo semisólido venció a las baterías de iones de litio y las baterías de flujo redox de vanadio. Esto fue cierto incluso al tener en cuenta el elevado gasto de bombear la lechada de MnO ~2~ del tanque a la chimenea. “Era escéptico y no esperaba que esta batería fuera competitiva, pero una vez que hice el cálculo de costos, fue plausible”, dice Gençer.
Pero diferentes situaciones requieren soluciones de diferente duración, ya sea una pérdida anticipada de energía solar durante la noche o una interrupción de la red basada en el clima a más largo plazo. “Los iones de litio son excelentes para copias de seguridad de ocho horas o menos, pero los materiales son demasiado caros para períodos más largos”, dice Gençer. "El hidrógeno es muy caro para duraciones muy cortas y bueno para duraciones muy largas, y los necesitaremos todos". Esto significa que tiene sentido seguir trabajando en el sistema Zn-MnO ~2~ para ver dónde podría encajar.
“El siguiente paso es tomar nuestro sistema de baterías y construirlo”, dice Narayanan, quien ahora trabaja como ingeniero de baterías. "Nuestra investigación también señala el camino hacia otras químicas que podrían desarrollarse bajo la plataforma de batería de flujo semisólido, por lo que podríamos estar viendo este tipo de tecnología utilizada para el almacenamiento de energía en nuestras vidas".
Esta investigación fue apoyada por Eni SpA a través de MITEI. Thaneer Malai Narayanan recibió una beca de energía del MIT patrocinada por Eni durante su trabajo en el proyecto.
Deja tu comentario
Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Todos los campos son obligatorios