Un equipo de científicos e ingenieros de Harvard ha demostrado una batería recargable que podría hacer que el almacenamiento de electricidad procedente de fuentes de energía de disponibilidad intermitente, como el sol y el viento, sea seguro y rentable tanto para uso residencial como comercial. La nueva investigación se basa en trabajos anteriores de miembros del mismo equipo que podrían permitir un almacenamiento de electricidad más barato y fiable a nivel de red.
En la nueva batería, los electrones son captados y liberados por compuestos formados por elementos baratos y abundantes en la Tierra (carbono, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, hierro y potasio) disueltos en agua. Los compuestos son no tóxicos, no inflamables y ampliamente disponibles, lo que los hace más seguros y baratos que otros sistemas de baterías.
“Esta es una química que con gusto guardaría en mi sótano”, dijo Michael J. Aziz, catedrático Gene and Tracy Sykes de Materiales y Tecnologías Energéticas de laHarvard Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e investigador principal del proyecto. “La falta de toxicidad y los materiales baratos y abundantes disueltos en solución acuosa hacen que sea seguro —no puede prenderse fuego—, lo cual es fundamental cuando se almacenan grandes cantidades de energía eléctrica cerca de personas.”
Cómo funciona la batería de flujo
Las baterías de flujo almacenan energía procedente de fuentes renovables en tanques de líquido llenos de compuestos orgánicos no tóxicos. Crédito: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
La investigación se presenta en un artículo publicado hoy en la revista Science.
Este nuevo tipo de química de baterías fue descubierto por el investigador posdoctoral Michael Marshak y el estudiante de posgrado Kaixiang Lin, que trabajaron junto con el coautor principal Roy Gordon, catedrático Thomas Dudley Cabot de Química y profesor de Ciencia de Materiales en Harvard.
“Combinamos un colorante orgánico común con un aditivo alimentario económico para aumentar el voltaje de nuestra batería en alrededor de un 50 por ciento respecto a nuestros materiales anteriores”, dijo Gordon. Los hallazgos “ofrecen las primeras sustancias químicas de alto rendimiento, no inflamables, no tóxicas, no corrosivas y de bajo costo para baterías de flujo.”
A diferencia de las baterías de electrodo sólido, las baterías de flujo almacenan energía en líquidos contenidos en tanques externos, de forma similar a las pilas de combustible. Los tanques (que determinan la capacidad energética), así como el hardware de conversión electroquímica a través del cual se bombean los fluidos (que determina la capacidad de potencia máxima), pueden dimensionarse de forma independiente. Dado que la cantidad de energía que puede almacenarse puede aumentarse arbitrariamente ampliando el tamaño de los tanques, se pueden almacenar mayores cantidades de energía a menor costo que los sistemas de baterías tradicionales.
Mejorar las mejoras
Los componentes activos de los electrolitos en la mayoría de los diseños de baterías de flujo han sido iones metálicos, como el vanadio disuelto en ácido. Los metales pueden ser caros, corrosivos, difíciles de manejar y cinéticamente lentos, lo que genera ineficiencias. El año pasado, Aziz y sus colegas de Harvard demostraron una batería de flujo que sustituyó los metales por moléculas orgánicas (a base de carbono) llamadas quinonas. Las quinonas son sustancias químicas abundantes de origen natural que intervienen en procesos biológicos como la fotosíntesis y la respiración celular.
Mientras que las quinonas en solución acuosa formaban el lado negativo del electrolito de la batería, el lado positivo se basaba en un electrolito convencional con bromo, utilizado en otras varias baterías. El alto rendimiento y el bajo costo de la tecnología, que Harvard ha licenciado a una empresa en Europa, ofrecen el potencial de proporcionar a las empresas de servicios públicos soluciones de almacenamiento escalables a nivel de red.
Pero la toxicidad y la volatilidad del bromo hacen que sea más adecuado para entornos en los que profesionales capacitados puedan manejarlo con seguridad detrás de vallas seguras.
Por ello, el equipo comenzó a buscar una nueva receta que ofreciera ventajas de almacenamiento comparables —económica, de larga duración y eficiente— utilizando sustancias químicas que pudieran desplegarse de forma segura en hogares y empresas. Su nueva batería sustituye el bromo por un ion no tóxico y no corrosivo llamado ferrocianuro.
“Suena mal porque tiene la palabra ‘cianuro’”, dijo el coautor principal Marshak, quien ahora es profesor asistente de química en la Universidad de Colorado Boulder. “El cianuro mata porque se une muy firmemente al hierro del cuerpo. En el ferrocianuro, ya está unido al hierro, por lo que es seguro. De hecho, el ferrocianuro se utiliza habitualmente como aditivo alimentario y también como fertilizante.”
Como el ferrocianuro es altamente soluble y estable en soluciones alcalinas en lugar de ácidas, el equipo de Harvard lo combinó con un compuesto de quinona que es soluble y estable en condiciones alcalinas, a diferencia del entorno ácido de la batería original que desarrollaron el año pasado.
Marshak comparó la exposición a la solución alcalina concentrada con el contacto con una pila AA desechable dañada. “No es algo que quieras comer ni salpicar, pero fuera de eso realmente no es un problema.”
Hay otras ventajas de utilizar solución alcalina. Como no es corrosiva, los componentes del sistema de batería de flujo pueden fabricarse con materiales más sencillos y mucho menos costosos, como los plásticos.
“Las baterías de flujo de primera generación eran pares de un solo elemento —metales de transición como el vanadio, el hierro o el cromo—”, dijo Michael Perry, líder de proyecto de sistemas electroquímicos en el United Technologies Research Center, que no participó en el trabajo. “Ahora estamos viendo la posibilidad de moléculas diseñadas que nos proporcionen las propiedades y atributos que queremos en un sistema completo. Se requiere más trabajo, y está justificado, pero el equipo de Harvard realmente demuestra la promesa de las químicas de nueva generación.”
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha trabajado estrechamente con el equipo de investigación para sortear la cambiante complejidad del mercado de almacenamiento de energía y establecer relaciones con empresas bien posicionadas para comercializar las nuevas químicas.
Cambie al almacenamiento en lugar de la “medición neta”
La demanda de almacenamiento en baterías está impulsada tanto por factores regulatorios como económicos. En algunos estados, así como en muchas partes del mundo, si no puede utilizarse de inmediato para satisfacer, la energía solar incidente en los paneles solares se desperdicia si la electricidad no se almacena. Sin embargo, en muchos estados, los clientes tienen derecho a vender la electricidad producida por paneles solares en tejados a tarifas altas para consumidores, en virtud de un esquema regulatorio denominado “medición neta”. En tales circunstancias, los consumidores tienen pocos incentivos para instalar baterías. No obstante, expertos del mercado como William W. Hogan, catedrático Raymond Plank de Política Energética Global en la Escuela Kennedy de Harvard, consideran que tales políticas son, en última instancia, “antieconómicas e insostenibles”. Y a medida que más propietarios de viviendas instalan paneles solares, las empresas de servicios públicos se oponen a los requisitos de comprar electricidad a sus clientes.
Hogan afirma que la medición neta es una de una serie de “trucos regulatorios diseñados para hacer más atractiva la energía solar” y predice que, con el tiempo, los consumidores con paneles fotovoltaicos en tejados perderán la opción de canjear electricidad por descuentos en sus facturas de servicios públicos. Cuando eso ocurra, los propietarios tendrán incentivos para invertir en almacenamiento en baterías.
Esa es la oportunidad de mercado emergente que el emprendedor de Tesla Motors, Elon Musk, espera aprovechar con el sistema Powerwall anunciado recientemente por su empresa. Pero el diseño de batería de flujo desarrollado por Aziz y sus colegas de Harvard ofrece ventajas potenciales en costo y en la duración del tiempo que puede mantener la potencia de descarga máxima en comparación con las baterías de litio.
“Tiene potencial porque la fotovoltaica está creciendo muy rápido”, dice Aziz. “Una nube pasa sobre tu instalación solar y ¡pum! —la producción se desploma. Luego la nube se va y la producción se dispara. La mejor forma de lidiar con eso es con baterías.”
Este artículo se publica en colaboración con Harvard Gazette. La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autor: Paul Karoff trabaja en las Comunicaciones de la Harvard Paulson School.
Imagen: Un parque eólico marino se alza en el agua cerca de la isla danesa de Samso. REUTERS/Bob Strong.
