Crédito de la imagen: GabrielleMerk. Wikimedia.org (foto #46)

Según los investigadores, una nueva batería a base de agua podría proporcionar una forma económica de almacenar energía eólica o solar para más adelante.

La batería almacena la energía generada cuando el sol está brillando y sopla el viento, por lo que puede retroalimentarse cuando la demanda es alta.

El prototipo de batería de manganeso-hidrógeno, reportado en naturaleza de la Energía, mide solo tres pulgadas de alto y genera unas simples 20 milliwatt horas 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 la Universidad de Stanford y autor principal del artículo, dice 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", dice Cui.

Química inteligente

Wei Chen, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Cui, dirigió al equipo que soñó el concepto y construyó el prototipo. 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.

Para imitar cómo una fuente eólica o solar podría alimentar la batería, los investigadores unieron una fuente de energía al prototipo. Los electrones que fluyen reaccionaron con el sulfato de manganeso disuelto en el agua para dejar partículas de dióxido de manganeso adheridas a los electrodos. El exceso de electrones burbujeaba como gas de hidrógeno, almacenando esa energía para uso futuro.

Los ingenieros saben cómo volver a generar electricidad a partir de la energía almacenada en el gas de hidrógeno, por lo que el siguiente paso importante fue demostrar que pueden recargar la batería a base de agua.

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 este proceso restauró la sal, los electrones entrantes se convirtieron en excedentes, y el exceso de energía podría burbujear como gas de hidrógeno, en un método que puede repetirse una y otra y otra vez.

Cui estima que, dada la expectativa de vida útil de la batería a base de agua, costaría un centavo almacenar suficiente electricidad para alimentar una bombilla 100-watt 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", dice Cui.

El Departamento de Energía (DOE) ha recomendado baterías para el almacenamiento a escala de red que deben almacenar y luego descargar al menos 20 kilovatios de energía durante un período de una hora, tener al menos recargas 5,000 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", dice Chu, que no era miembro del equipo de investigación.

Alimentando la grilla

De acuerdo con las estimaciones del DOE, aproximadamente el porcentaje de 70 de la electricidad de EE. UU. Es generado por plantas de carbón o gas natural, que representan el porcentaje 40 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 rápida 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.

Vencer a la competencia

Cui dice 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 dice 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 dice 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", agrega Cui.

Chen dice que la química novedosa, los materiales de bajo costo y la relativa simplicidad hacen que la batería de manganeso-hidrógeno sea ideal para un despliegue de escala de grillas de bajo costo.

El prototipo necesita un trabajo de desarrollo para probarse a sí mismo. Por un lado, utiliza 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 dice que el equipo ya está trabajando en formas más baratas de 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 del DOE de $ 100 por kilovatio-hora", dice.

Los investigadores informan que hacen recargas 10,000 de los prototipos, que es el doble de los requisitos del DOE, pero dicen que será necesario probar la batería de manganeso-hidrógeno en condiciones reales de almacenamiento de la red eléctrica para evaluar realmente el rendimiento y el costo de su vida útil.

Cui dice 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.

Acerca de los autores

Yi Cui, profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Stanford, es el autor principal del artículo. Los coautores adicionales son de la Academia de Ciencias de China y Stanford. El Departamento de Energía financió la investigación.

Fuente: Universidad de Stanford

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