Ponte al día en almacenamiento de energía (3)

En esta entrega de la guía realizada por Twenergy nos vamos a ocupar del almacenamiento mediante tecnologías electroquímicas, en concreto vamos a hablar de las populares baterías.

Las tecnologías electroquímicas se basan en las llamadas reacciones redox para transformar el contenido energético de los compuestos químicos involucrados en electricidad. Para ello, es fundamental conseguir que los electrones que pierden una molécula (en lenguaje químico, se oxidan) pasen por un circuito eléctrico antes de ser ganados por otra molécula (en lenguaje químico, se reducen). Con este objetivo, cualquier tecnología electroquímica separa físicamente el lugar donde ocurren las dos reacciones (electrodos), permitiendo el intercambio de electrones a través de un circuito eléctrico y el de iones a través de una sustancia llamada electrolito.

El siguiente esquema muestra el proceso de electrólisis para una pila de combustible:

En este proceso se ve que el ánodo es donde se produce la oxidación y, por lo tanto, pierde un electrón, y el cátodo es donde se produce la reducción y gana un electrón. En este caso, el hidrógeno se oxida, cediendo electrones que circulan a través de la carga eléctrica (por ejemplo, una bombilla o un motor eléctrico) y llegan al otro electrodo, donde son captados por el oxígeno, que se reduce y se combina con el hidrógeno oxidado para dar agua.

De forma análoga, algunos dispositivos electroquímicos (como electrolizadores o baterías durante la carga) plantean la situación inversa. Así, un generador de energía provoca la circulación de electrones en el circuito, forzando la reducción de una especie (que capta esos electrones) y, en consecuencia, la oxidación de la otra. En el caso del electrolizador, el hidrógeno presente en el agua se reduce, mientras que el oxígeno se oxida (justo al contrario que en el caso de la pila de combustible).

Actualmente existen muchas aplicaciones tecnológicas basadas en la electroquímica. A continuación, se muestra un resumen de las más relevantes por su utilidad en el almacenamiento de energía en aplicaciones estacionarias:

Baterías tradicionales

Las baterías se caracterizan por ser dispositivos cerrados (no se introduce o extrae material reactivo durante su uso), cuyos componentes químicos presentan la posibilidad de ser regenerados mediante la reacción redox inversa al aplicar un voltaje durante la carga.

Existen diversos tipos de baterías, cuyos nombres vienen dados por los compuestos químicos que utilizan. El siguiente listado recoge los tipos más utilizados en la actualidad para aplicaciones estacionarias.

Baterías de Plomo-Ácido

Las baterías de plomo-ácido se basan en las reacciones redox que ocurren entre el plomo que se encuentra en los electrodos (en estado metálico puro en la oxidación y en forma de dióxido de plomo en la reducción) y el ácido sulfúrico, que actúa como electrolito de la batería. El rendimiento de carga/descarga se sitúa entre el 75% y el 85% en corriente continua.

Es la tecnología de batería recargable más antigua, pero sigue utilizándose en diversas aplicaciones, entre las que se incluyen la automoción, sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y la gestión de la producción de centrales de energías renovables. Las baterías de plomo ácido tradicionales presentan el problema de ser poco flexibles: en la etapa de diseño se establece si servirán para dar grandes potencias durante poco tiempo o si, por el contrario, servirán para dar grandes cantidades de energía a potencias inferiores. Actualmente se están desarrollando baterías de plomo-ácido avanzadas que tratan de mitigar estas limitaciones para su uso extensivo en aplicaciones estacionarias.

Baterías de Sodio-Azufre

Conocidas como NaS, en este tipo de baterías los electrodos están compuestos de sodio (se oxida en la descarga) y azufre (se reduce en descarga). Entre ellos se sitúa un electrolito compuesto de β-alúmina, que conduce los iones Na+ producidos en la interfaz ánodo-electrolito hasta el cátodo, donde reaccionan con el azufre, reduciéndolo, para formar Na2S5.

Durante la carga, se produce la reacción opuesta. En conjunto con la batería de sodio-Níquel-Cloro forma parte de las baterías de sales fundidas, que trabajan a temperaturas por encima de 200ºC. El rendimiento de carga/descarga es superior al 86% trabajando en corriente continua.

Esta tecnología se encuentra en un grado de madurez comercial y tiene aplicaciones diversas como acumulador de energía eléctrica. Se usa de forma extensiva en integración de energía eólica y para la gestión de la red eléctrica, debido a sus largos tiempos de descarga. También es capaz de reaccionar con rapidez a cambios en las magnitudes de control de la red eléctrica, por lo que también se usa para la mejora de la calidad de suministro eléctrico.

Baterías de Sodio-Níquel-Cloro

Son las conocidas con ZEBRA y son una evolución de las baterías NaS. Los electrodos se componen de sodio/cloruro de sodio y níquel/cloruro de níquel, con un electrolito en forma de barrera separadora capaz de conducir los iones Na+ (compuesto del material cerámico β-alúmina). Durante la carga, el sodio se reduce de cloruro de sodio a sodio fundido y el níquel se oxida a cloruro de níquel. En la descarga ocurre la reacción inversa. Estas baterías funcionan a una temperatura de en torno a los 250ºC.

Sus aplicaciones son similares a las de las baterías NaS (gestión y soporte de red e integración de energías renovables), aunque en este caso no se encuentra en fase comercial, sino en proyectos de demostración tecnológica.

Baterías de Ión-Litio

Las Li-Ion cuentan con un electrodo hecho de grafito y otro de un compuesto de litio (óxido de litio-cobalto, fosfato de litio-hierro, óxido de litio-manganeso y otros más complejos). El electrolito es una sal de litio disuelta en un compuesto orgánico. Durante la carga, el litio contenido en el compuesto se oxida, liberando iones Li+ y electrones que viajan, respectivamente, a través del electrolito y el circuito eléctrico hasta el electrodo de grafito, donde el carbono reacciona con ambos, reduciéndose y formando el compuesto CLix. El rendimiento obtenido en corriente continua es cercano al 90% para el ciclo carga/descarga.

Las baterías de ion-litio se encuentran en distintos puntos de desarrollo tecnológico. Algunas, como las de LiCoO2, ya se utilizan comercialmente de forma extensiva en electrónica portátil (ordenadores portátiles, teléfonos móviles, reproductores de música, etc.) y son una parte fundamental de muchos modelos de vehículos eléctricos e híbridos. En relación a las aplicaciones estacionarias, para soporte de red e integración de energías renovables, se encuentra en el último estadío de desarrollo, con gran número de proyectos de demostración ya realizados y con expectativas de reducción de costes que la harían comercialmente viable.

Baterías de Metal – Aire

Este tipo de baterías se compone de un electrodo metálico (típicamente zinc, aluminio, magnesio o litio) y de otro electrodo de aire. La pareja redox la componen el metal (que se oxida durante la descarga) y el oxígeno del aire (que se reduce).

Estas baterías, en especial la de zinc-aire, se conocen desde hace años en modo primario (sin posibilidad de recarga) y aún se encuentran en estado de I+D para su uso como acumuladores de energía eléctrica en tareas de gestión de sistemas eléctricos. Una de las principales barreras es que no se consiguen rendimientos de ciclo completo superiores al 50%.

En la próxima entrega hablaremos de las baterías de flujo.

Podéis acceder a la guía completa de Twenergy en nuestro fondo documental ecointeligente o desde este enlace: Guía de Almacenamiento de Energía de Twenergy.