La batería a base de agua ofrece una nueva opción para energía solar a escala de servicios públicos

La batería a base de agua

Los investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado una batería a base de agua que podría proporcionar una forma económica de almacenar energía eólica o solar generada cuando el sol está brillando y soplando viento para que pueda retroalimentarse cuando la demanda es alta.

El prototipo de batería de manganeso-hidrógeno, reportada el 30 de abril en  Nature Energy , mide solo tres pulgadas de alto y genera apenas 20 milivatios por hora de electricidad, que está a la par con los niveles de energía de las linternas LED que cuelgan de un llavero. A pesar de la diminuta producción del prototipo, los investigadores confían en que pueden ampliar esta tecnología de mesa a un sistema de grado industrial que podría cargar y recargar hasta 10.000 veces, creando una batería a escala de red con una vida útil muy superior a un década.

Yi Cui, profesor de ciencia de materiales en Stanford y autor principal del artículo, dijo que la tecnología de baterías de manganeso-hidrógeno podría ser una de las piezas que faltan en el rompecabezas energético de la nación: una forma de almacenar energía eólica o solar impredecible para disminuir la necesidad de quemar combustibles fósiles confiables pero emisores de carbono cuando las fuentes renovables no están disponibles.

“Lo que hemos hecho es arrojar una sal especial al agua, caer en un electrodo y crear una reacción química reversible que almacena electrones en forma de gas de hidrógeno”, dijo Cui.

Química inteligente

El equipo que ideó el concepto y construyó el prototipo fue dirigido por Wei Chen, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Cui. En esencia, los investigadores lograron un intercambio reversible de electrones entre el agua y el sulfato de manganeso, una sal industrial barata y abundante que se usa para fabricar pilas secas, fertilizantes, papel y otros productos.

To mimic how a wind or solar source might feed power into the battery, the researchers attached a power source to the prototype. The electrons flowing in reacted with the manganese sulfate dissolved in the water to leave particles of manganese dioxide clinging to the electrodes. Excess electrons bubbled off as hydrogen gas, thus storing that energy for future use. Engineers know how to re-create electricity from the energy stored in hydrogen gas so the important next step was to prove that the water-based battery can be recharged.

Los investigadores lograron esto volviendo a conectar su fuente de energía al prototipo agotado, esta vez con el objetivo de inducir a las partículas de dióxido de manganeso que se adhieren al electrodo para que se combinen con agua, reponiendo la sal de sulfato de manganeso. Una vez que se restauró esta sal, los electrones entrantes se convirtieron en excedentes, y el exceso de energía podría burbujear como gas de hidrógeno, en un proceso que puede repetirse una y otra y otra vez.

Cui estimó que, dada la expectativa de vida útil de la batería a base de agua, costaría un centavo almacenar suficiente electricidad para alimentar una bombilla de 100 vatios durante doce horas.

“Creemos que esta tecnología prototipo podrá cumplir los objetivos del Departamento de Energía para la practicidad de almacenamiento eléctrico a escala de servicios públicos”, dijo Cui.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) recomienda baterías para almacenamiento a escala de red que deben almacenar y luego descargar al menos 20 kilovatios de energía durante un período de una hora, tener capacidad para al menos 5.000 recargas y tener una vida útil de 10 años o más. Para que sea práctico, un sistema de batería de este tipo debería costar $ 2,000 o menos, o $ 100 por kilovatio hora.

El ex secretario del DOE y Premio Nobel Steven Chu, ahora profesor en Stanford, tiene un interés desde hace mucho tiempo en alentar tecnologías para ayudar a la transición de la nación a la energía renovable.

“Si bien los materiales precisos y el diseño aún necesitan desarrollo, este prototipo demuestra el tipo de ciencia e ingeniería que sugieren nuevas formas de obtener baterías de bajo costo y duraderas a escala de servicios públicos”, dijo Chu, que no era miembro del equipo de investigación.

Cambiando de Carbono

Según las  estimaciones del DOE , alrededor del 70 por ciento de la electricidad de EE. UU. Es generada por plantas de carbón o gas natural, que representan el 40 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono. El cambio a la generación eólica y solar es una forma de reducir esas emisiones. Pero eso crea nuevos desafíos relacionados con la variabilidad de la fuente de alimentación. Lo más obvio es que el sol solo brilla por día y, a veces, el viento no sopla.

Pero otra forma de variabilidad menos conocida, pero importante, proviene de los aumentos de la demanda en la red, esa red de cables de alta tensión que distribuye electricidad en las regiones y, finalmente, en los hogares. En un día caluroso, cuando las personas llegan a casa del trabajo y arrancan el aire acondicionado, las empresas deben tener estrategias de equilibrio de carga para satisfacer la demanda máxima: alguna manera de aumentar la generación de energía en minutos para evitar caídas de tensión o apagones que de otra manera reducirían la red .

En la actualidad, los servicios públicos a menudo logran esto mediante el encendido de plantas de energía bajo demanda o “despachables” que pueden permanecer inactivas la mayor parte del día pero que pueden conectarse en cuestión de minutos, produciendo energía rápidamente pero aumentando las emisiones de carbono. Algunas empresas de servicios públicos han desarrollado un equilibrio de carga a corto plazo que no depende de las plantas que queman combustibles fósiles. La estrategia más común y rentable es el almacenamiento hidroeléctrico bombeado: el uso de exceso de energía para enviar agua cuesta arriba, y luego dejar que vuelva a fluir para generar energía durante el pico de demanda. Sin embargo, el almacenamiento hidroeléctrico solo funciona en regiones con agua y espacio adecuados. Entonces, para hacer que la energía eólica y solar sean más útiles, el DOE ha alentado a las baterías de alta capacidad como una alternativa.

Alta capacidad, bajo costo

Cui dijo que hay varios tipos de tecnologías de baterías recargables en el mercado, pero no está claro qué enfoques cumplirán con los requisitos del DOE y demostrar su practicidad a los servicios públicos, los reguladores y otras partes interesadas que mantienen la red eléctrica de la nación.

Por ejemplo, Cui dijo que las baterías recargables de iones de litio, que almacenan las pequeñas cantidades de energía necesarias para operar teléfonos y computadoras portátiles, están basadas en materiales raros y, por lo tanto, son demasiado caras para almacenar electricidad en un vecindario o ciudad. Cui dijo que el almacenamiento a escala de red requiere una batería recargable de alta capacidad y bajo costo. El proceso de manganeso-hidrógeno parece prometedor.

“Otras tecnologías de baterías recargables son fácilmente más de cinco veces superiores a ese costo durante el tiempo de vida”, agregó Cui.

Chen dijo que la química novedosa, los materiales de bajo costo y la relativa simplicidad hacen que la batería de manganeso-hidrógeno sea ideal para el despliegue a escala de grúa de bajo costo.

“El avance que informamos en  Nature Energy  tiene el potencial de cumplir con los criterios de escala de grillas del DOE”, dijo Chen.

El prototipo necesita un trabajo de desarrollo para probarse a sí mismo. Para empezar, usa platino como catalizador para estimular las reacciones químicas cruciales en el electrodo que hacen que el proceso de recarga sea eficiente, y el costo de ese componente sería prohibitivo para la implementación a gran escala. Pero Chen dijo que el equipo ya está trabajando en formas más baratas para lograr que el sulfato de manganeso y el agua realicen el intercambio de electrones reversible. “Hemos identificado catalizadores que podrían situarnos por debajo del objetivo DOE de $ 100 por kilovatio-hora”, dijo.

Los investigadores informaron que hicieron 10.000 recargas de los prototipos, que es el doble de los requisitos del DOE, pero dijeron que sería necesario probar la batería de hidrógeno de manganeso en condiciones reales de almacenamiento de la red eléctrica para evaluar realmente su rendimiento y costo de por vida.

Cui dijo que ha tratado de patentar el proceso a través de la Oficina de Licencias Tecnológicas de Stanford y planea formar una compañía para comercializar el sistema.

Yi Cui es también profesor en la Dirección de Ciencia de Fotones en SLAC National Accelerator Laboratory, miembro senior del  Precourt Institute for Energy , y miembro de  Stanford Bio-X  y  Stanford Neurosciences Institute . Otros coautores incluyen a Guodong Li, un investigador visitante en ciencias de materiales e ingeniería que ahora se encuentra en la Academia de Ciencias de China; estudiantes postdoctorales Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen y Jiangyan Wang; el académico visitante Hao Zhang; y estudiantes graduados Zheng Liang, Yuzhang Li y Allen Pei.

Este trabajo fue financiado por el Departamento de Energía.

Este artículo fue publicado originalmente por la Universidad de Stanford aquí 

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