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Un paso hacia el almacenamiento estacional: la "batería de congelación y descongelación" puede conge
La batería de sal fundida marca un paso hacia el almacenamiento estacional de energía a escala de red
Los científicos han desarrollado una batería diseñada para la red eléctrica que puede almacenar energía durante meses sin perder mucha capacidad de almacenamiento.
La creación de la “batería de congelación-descongelación”, que congela su energía para su uso posterior, es un paso hacia las baterías que se pueden usar para el almacenamiento estacional: ahorrando energía en una estación, como la primavera, y usándola en otra, como la primavera. caer.
El prototipo es pequeño, aproximadamente del tamaño de un disco de hockey. Sin embargo, la ciencia detrás del dispositivo es muy prometedora, presagiando un día en que la energía de fuentes intermitentes, como la luz solar y el viento, se puede almacenar durante largos períodos de tiempo. El estudio realizado por científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía se publicó en línea el 23 de marzo de 2022 en la revista Cell Reports Physical Science.
“Las tecnologías de almacenamiento de energía de mayor duración son importantes para aumentar la resiliencia de la red cuando se incorpora una gran cantidad de energía renovable”, dijo Imre Gyuk, director de Almacenamiento de Energía en la Oficina de Electricidad del DOE, que financió el trabajo. "Esta investigación marca un paso importante hacia una solución de almacenamiento de batería estacional que supera las limitaciones de autodescarga de las tecnologías de batería actuales".
Aprovechar y empaquetar la energía de la naturaleza
Las fuentes renovables van y vienen con los ciclos de la naturaleza. Eso hace que sea difícil incluirlos en un flujo de electricidad confiable y constante. En el noroeste del Pacífico, en la primavera, por ejemplo, los ríos repletos de escorrentía impulsan las represas hidroeléctricas al máximo justo cuando los vientos soplan ferozmente por el desfiladero de Columbia. Toda esa energía debe aprovecharse de inmediato o almacenarse durante unos días como máximo.
A los operadores de la red les encantaría aprovechar esa energía primaveral, almacenarla en baterías grandes y luego liberarla a finales de año cuando los vientos de la región son lentos, los ríos están bajos y la demanda de electricidad alcanza su punto máximo.
Las baterías también mejorarían la capacidad de las empresas de servicios públicos para resistir un corte de energía durante tormentas severas, poniendo a disposición grandes cantidades de energía para alimentar la red después de un huracán, un incendio forestal u otra calamidad.
"Es muy parecido a cultivar alimentos en su jardín en la primavera, poner el extra en un recipiente en su congelador y luego descongelarlo para la cena en el invierno", dijo el primer autor Minyuan "Miller" Li.
La batería se carga primero calentándola a 180 grados centígrados, lo que permite que los iones fluyan a través del electrolito líquido para crear energía química. Luego, la batería se enfría a temperatura ambiente, esencialmente bloqueando la energía de la batería. El electrolito se vuelve sólido y los iones que transportan energía permanecen casi inmóviles. Cuando se necesita la energía, la batería se recalienta y la energía fluye.
El fenómeno de congelación y descongelación es posible porque el electrolito de la batería es sal fundida, un primo molecular de la sal común de mesa. El material es líquido a temperaturas más altas pero sólido a temperatura ambiente.
El concepto de congelación y descongelación evita un problema familiar para cualquiera que haya dejado su automóvil sin usar durante demasiado tiempo: una batería que se descarga automáticamente cuando está inactiva. Una tasa de descarga rápida, como la de las baterías en la mayoría de los automóviles o computadoras portátiles, obstaculizaría una batería de red diseñada para almacenar energía durante meses. En particular, la batería de congelación y descongelación del PNNL ha conservado el 92 por ciento de su capacidad durante 12 semanas.
En otras palabras, la energía no se degrada mucho; se conserva, como la comida en un congelador.
Ingredientes ordinarios un plus
El equipo evitó materiales raros, costosos y altamente reactivos. En cambio, la batería de sal fundida de aluminio y níquel está repleta de materiales comunes y abundantes en la Tierra. El ánodo y el cátodo son placas sólidas de aluminio y níquel, respectivamente. Están sumergidos en un mar de electrolito de sal fundida que es sólido a temperatura ambiente pero fluye como líquido cuando se calienta. El equipo agregó azufre, otro elemento común y de bajo costo, al electrolito para mejorar la capacidad energética de la batería.
Una de las mayores ventajas de la batería es la composición de un componente, llamado separador, colocado entre el ánodo y el cátodo. La mayoría de las baterías de sal fundida de alta temperatura requieren un separador cerámico, que puede ser más costoso de fabricar y susceptible de romperse durante el ciclo de congelación y descongelación. La batería PNNL usa fibra de vidrio simple, posiblemente debido a la química estable de la batería. Esto reduce los costos y hace que la batería sea más resistente cuando se somete a ciclos de congelación y descongelación.
“Reducir los costos de la batería es fundamental. Es por eso que elegimos materiales comunes y menos costosos para trabajar, y por eso nos enfocamos en quitar el separador de cerámica”, dijo el autor correspondiente Guosheng Li, quien dirigió el estudio.
La energía de la batería se almacena a un costo de materiales de alrededor de $23 por kilovatio-hora, medido antes de un aumento reciente en el costo del níquel. El equipo está explorando el uso de hierro, que es menos costoso, con la esperanza de reducir el costo de los materiales a alrededor de $6 por kilovatio-hora, aproximadamente 15 veces menos que el costo de los materiales de las baterías de iones de litio actuales.
La densidad de energía teórica de la batería es de 260 vatios-hora por kilogramo, más alta que las baterías de plomo-ácido y de flujo actuales.
Los investigadores señalan que las baterías diseñadas para el almacenamiento estacional probablemente se carguen y descarguen solo una o dos veces al año. A diferencia de las baterías diseñadas para alimentar automóviles eléctricos, computadoras portátiles u otros dispositivos de consumo, no es necesario que duren cientos o miles de ciclos.
“Puede comenzar a imaginar algo como una batería grande en un camión con remolque de 40 pies estacionado en un parque eólico”, dijo el coautor Vince Sprenkle, asesor estratégico principal de PNNL. “La batería se carga en la primavera y luego el camión se conduce por la carretera hasta una subestación donde la batería está disponible si se necesita durante el calor del verano”.
Battelle, que opera PNNL, solicitó una patente sobre la tecnología. Más información está disponible aquí.
Otros autores del artículo incluyen a los investigadores del PNNL Evgueni Polikarpov, Nathan Canfield, Mark Engelhard, J. Mark Weller y David Reed, y al excientífico del PNNL Xiaowen Zhan.
Referencia: "Una batería de sal fundida de congelación y descongelación para almacenamiento estacional" por Minyuan M. Li, Xiaowen Zhan, Evgueni Polikarpov, Nathan L. Canfield, Mark H. Engelhard, J. Mark Weller, David M. Reed, Vincent L. Sprenkle y Guosheng Li, 23 de marzo de 2022, Cell Reports Physical Science.
