A medida que crece la energía renovable, también crece la necesidad de un almacenamiento de energía confiable a largo plazo para equilibrar la generación de energía intermitente.
El nuevo documento técnico de Elestor sugiere que la arquitectura de batería de flujo de hidrógeno-hierro de la compañía tiene el potencial de proporcionar una solución duradera y rentable para el almacenamiento de energía a escala de red, con pruebas que muestran una vida útil de hasta 25 años.
Este estudio evalúa la tecnología en condiciones continuas comercialmente relevantes y examina cómo funciona el sistema durante períodos de ciclo prolongados.
La compañía dice que los resultados sugieren que el diseño puede mantener una eficiencia y un rendimiento estables durante decenas de miles de ciclos de carga y descarga, evitando al mismo tiempo muchas de las limitaciones de suministro de materiales asociadas con otras químicas de baterías.
Problemas de almacenamiento a largo plazo
Los sistemas de almacenamiento de energía para aplicaciones de red deben cumplir requisitos estrictos. Deben funcionar durante décadas, realizar ciclos frecuentes sin un deterioro significativo y seguir siendo económicamente competitivos.
Aunque muchas tecnologías de baterías han mostrado resultados prometedores en entornos de laboratorio, los datos a largo plazo de entornos operativos realistas son limitados. La investigación de Elestor tiene como objetivo abordar esa brecha probando grandes prototipos diseñados con los mismos principios que los sistemas comerciales.
Las baterías de flujo de hidrógeno y hierro de la empresa utilizan gas hidrógeno y sales de hierro disueltas como materiales activos en un proceso electroquímico que convierte la energía química en electricidad y viceversa.
A diferencia de las baterías tradicionales, que almacenan potencia y energía en la misma celda, las baterías de flujo separan sus funciones.
En esta arquitectura, la potencia de salida está determinada por la pila electroquímica, mientras que la capacidad de almacenamiento de energía está determinada por el tamaño del tanque de electrolito. Esta separación proporciona más flexibilidad para ampliar la capacidad del sistema para diferentes períodos de almacenamiento.
Materiales comunes, diseño escalable.
Una característica importante de la química del hidrógeno y el hierro es su dependencia de materiales relativamente abundantes. Se utiliza hidrógeno en el ánodo y la reacción del cátodo implica un proceso redox reversible entre iones férricos y ferrosos en solución.
Debido a que el electrolito es a base de agua y depende de elementos ampliamente disponibles, la compañía afirma que el diseño evita muchos de los riesgos de la cadena de suministro asociados con metales como el litio, el cobalto y el vanadio.
Sin embargo, el estudio enfatiza que los materiales de bajo costo por sí solos no son suficientes para que la tecnología de almacenamiento sea comercialmente viable.
Para aplicaciones a largo plazo, la durabilidad se convierte en uno de los factores más importantes en el costo total del sistema. La economía del almacenamiento se deteriora rápidamente si es necesario reemplazar el equipo con frecuencia.
Probado en condiciones realistas
Para evaluar la durabilidad, los investigadores operaron grandes pilas de células con una superficie activa comparable a las unidades comerciales desplegables.
El sistema incluye un ánodo que suministra hidrógeno, una membrana conductora de protones y un cátodo a base de carbono diseñado para soportar de manera eficiente las reacciones redox del hierro.
El electrolito (solución acuosa ácida de sal de hierro) se hizo circular continuamente a través del sistema. Las pruebas se realizaron a altas temperaturas y densidades de corriente constantes destinadas a reflejar operaciones industriales reales.
Durante el período de prueba, la batería fue monitoreada automáticamente a través de un sistema de control industrial que registró datos electroquímicos y operativos.
Eficiencia estable durante miles de ciclos
La campaña de validación implicó un funcionamiento continuo durante decenas de miles de ciclos de carga/descarga. Durante ese período, las baterías de flujo de hidrógeno y hierro mantuvieron niveles de eficiencia energética que excedieron los objetivos mínimos típicamente requeridos para el despliegue comercial.
Según el informe, el sistema logró una eficiencia energética de más del 80% y una eficiencia de ida y vuelta de más del 75% a nivel del sistema. Es importante destacar que el núcleo electroquímico mantuvo un rendimiento estable durante todo el período de prueba sin evidencia de degradación estructural.
Se utilizaron procedimientos de ajuste regulares para restaurar el sistema a su ventana de rendimiento óptimo. Estos procedimientos de mantenimiento implican ajustes operativos controlados en lugar de cambios de hardware y se describen como prácticas de rutina que son compatibles con los sistemas de energía industriales.
Los investigadores también observaron que períodos cortos de descanso pueden reducir la resistencia interna dentro de la celda, lo que sugiere que el material entra en un estado de equilibrio reversible durante el funcionamiento.
Resiliencia a las interrupciones operativas
La infraestructura energética del mundo real debe hacer frente a eventos inesperados como apagones y cortes de energía. Durante el programa de validación, el sistema experimentó varias interrupciones externas no relacionadas con la propia batería.
En ambos casos, el sistema se reinició sin afectar negativamente a los componentes electroquímicos ni al rendimiento a largo plazo. La compañía dice que esta resiliencia demuestra la estabilidad química inherente al enfoque de la batería de flujo de hidrógeno-hierro.
Vida útil prevista de varias décadas.
Basándose en la estabilidad observada durante las pruebas a largo plazo, el estudio predice que los sistemas que utilizan esta tecnología pueden funcionar durante 20 a 25 años en aplicaciones a escala de red.
Las estimaciones de vida útil se derivan de tendencias de rendimiento medidas, en lugar de suposiciones sobre mejoras futuras o nuevos materiales. Los datos muestran que cuando se ajusta al perfil del ciclo anual típico del almacenamiento en red, esta tecnología puede soportar su implementación durante décadas.
Esta vida útil puede tener un impacto significativo en la economía del almacenamiento a gran escala. Una vida más larga reduce los costos de reemplazo y distribuye la inversión de capital a lo largo de una vida operativa más larga.
Impacto en los costos de almacenamiento
Elestor sostiene que al combinar un rendimiento duradero con materiales de bajo costo, las baterías de flujo de hierro-hidrógeno tienen el potencial de lograr una economía competitiva para el almacenamiento de energía a largo plazo.
La empresa estima que la tecnología podría alcanzar niveles de gasto de capital de aproximadamente 15 euros por kilovatio hora, con un coste nivelado de almacenamiento durante la vida útil del sistema cercano a los 0,02 euros por kilovatio hora.
Aunque estas cifras dependen de la implementación y fabricación a gran escala, resaltan los posibles beneficios económicos de la química.
Candidatos para almacenamiento a largo plazo.
A medida que los sistemas eléctricos incorporan una mayor proporción de electricidad renovable, las tecnologías que pueden almacenar energía durante largos períodos o incluso días están adquiriendo cada vez más importancia.
Los resultados presentados en el documento técnico de Elestor sugieren que las baterías de flujo de hidrógeno y hierro tienen el potencial de proporcionar una opción duradera y escalable para el almacenamiento a largo plazo.
Si esta tecnología funciona de manera similar en una instalación totalmente comercial, podría ayudar a proporcionar la infraestructura de larga duración necesaria para respaldar una red eléctrica con bajas emisiones de carbono.
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