En un momento en el que aumenta la producción de energía de fuentes renovables es importante tener presenta que la energía puede ser almacenada, mediante un conjunto de métodos, sistemas y tecnologías, para ser transformada y utilizada en un momento posterior.
Después de repasar los principales sistemas mecánicos para el almacenamiento de energía, es el momento de ocuparnos de los sistemas de naturaleza electroquímica.
El almacenamiento electroquímico de energía convierte energía eléctrica en energía química para ser almacenada, generalmente mediante el uso de baterías o condensadores electroquímicos, estando las baterías compuestas de celdas, que almacenan energía mediante procesos de oxidación y reducción.
Si bien siguen apareciendo nuevos tipos de baterías más ecoeficientes, se trata de un sistema maduro en general y muy útil como alternativa de almacenamiento a corto plazo que requiera cargas y descargas frecuentes.
En el caso de las baterías, su cadena de valor es compleja y requiere de la colaboración de los suministradores de la materia prima y de los materiales críticos y avanzados, de los fabricantes de celdas, de los suministradores packs de baterías y de los integradores en las redes de almacenamiento de sus instalaciones.
Los principales objetivos a corto y medio plazo de la mayoría de las tecnologías dentro del almacenamiento electroquímico son la reducción de costes y el aumento de la vida útil de los sistemas, así como favorecer la implantación de la economía circular en la reutilización y reciclaje de los dispositivos materiales, una vez agotada su vida útil.
Vamos a ver que sistemas de almacenamiento electroquímico tenemos a nuestra disposición:
Baterías convencionales
Las baterías electroquímicas clásicas contienen 2 o más celdas electroquímicas que utilizan reacciones químicas para crear un flujo de electrones en un circuito externo, o lo que es lo mismo, corriente eléctrica.
Los elementos primarios de la celda incluyen un contenedor, 2 electrodos (ánodo y cátodo), un material electrolito líquido o sólido y una membrana permeable que permite un flujo iónico entre los electrodos a la vez que evita cortocircuitos entre éstos.
El electrolito está en contacto con los electrodos, de manera que la corriente se genera por las reacciones de oxidación y reducción entre el electrolito y los electrodos de la celda.
Cuando la batería se conecta a carga, el electrolito próximo a uno de los electrodos provoca la liberación de electrones (oxidación). Mientras tanto los iones próximos al otro electrodo aceptan los electrones (reducción) y completan el proceso de descarga. Si revertimos dicho proceso, la batería se carga.
Su configuración en celdas les confiere un carácter altamente modular y apto para su manufactura, pudiendo ser dispositivos reversibles, además de combinarse en serie hasta alcanzar tensiones muy elevadas y en paralelo para conseguir la potencia necesaria.
Es conveniente evitar corrientes elevadas y bajas temperaturas para impedir degradaciones a causa de reacciones químicas no deseadas.
Las baterías clásicas presentan densidades de potencia muy atractivas y la eficiencia de su ciclo está en rangos del 60-80% en función de las condiciones de carga y descarga, por lo cual esta tecnología se encuentra ya ampliamente extendida a nivel mundial y múltiples aplicaciones conectadas a la red.
Se emplean gran variedad de materiales (litio, sodio, plomo níquel, metal aire o níquel), y sus perspectivas de crecimiento son muy prometedoras.
Baterías de flujo
Las baterías de flujo redox son un tipo de celdas electroquímicas que combinan las características de la batería convencional y la pila de combustible.
Su propiedad más importante es la capacidad de separar en el diseño de la celda su energía y potencia nominales.
La energía no se almacena en los materiales de electrodo sino en los electrolitos, que se conservan en 2 tanques separados, uno para el electrolito positivo y otro para el negativo.
Los electrolitos se bombean hacia la semicelda correspondiente de la batería, separadas estas por una membrana de intercambio iónico. Los electrodos actúan como superficies electrocatalíticas sobre las cuales se transforman los electrolitos siguiendo reacciones redox reversibles.
El tamaño de los depósitos de electrolito determina la energía que se puede almacenar en la batería, dependiendo así la potencia de la celda del tamaño de los electrodos y de su actividad electrocatalítica.
Esta tecnología presenta una amplia variedad de combinaciones de electrolitos, si bien las más desarrolladas son las basadas en química del vanadio (VRFB), con gran rapidez de respuesta de carga/descarga y con número de ciclos de carga/descarga muy superior a otros tipos de baterías. También destacan las de zinc-bromo (Zn-Br).
Para evitar la dependencia de materiales críticos como el vanadio, se están intentando desarrollar otras químicas, basadas en hierro o también compuestos orgánicos.
Gracias a su modularidad, las configuraciones de la potencia (kW) y la capacidad (kWh) están desacopladas, quedando la potencia de la batería determinada por el área total de la superficie de la membrana, mientras que la capacidad depende de los volúmenes de material activo.
Su nivel de madurez es inferior al de las baterías clásicas.
Supercondensadores híbridos
Los supercondensadores almacenan la carga eléctrica en una doble capa eléctrica en la interfaz entre un electrodo de carbono y un electrolito.
Se trata de un mecanismo altamente reversible, tal y como sucede con los condensadores convencionales, lo cual permite su rápida carga y descarga, suministrando elevada potencia.
En comparación con las baterías su densidad energética es más baja, mientras que su potencia específica es superior, pudiéndose ver sus prestaciones multiplicadas si se combinan con baterías de ion litio.
Todavía se encuentran en fases iniciales de investigación y desarrollo, y en algunos casos de demostración de prototipos, combinando este sistema las virtudes de las tecnologías en las que se apoya y revistiendo un alto potencial de desarrollo.
En nuestra próxima entrega trataremos de los sistemas químicos para almacenamiento de energía.
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