Los investigadores de Penn State están buscando formas innovadoras de mejorar el almacenamiento de energía en un esfuerzo por utilizar mejor las tecnologías de energía renovable.

"Uno de los principales obstáculos que nos impide depender en gran medida de los sistemas de energía renovable es que no podemos regular cuándo nos proporcionan energía, "dijo Derek Hall, profesor asistente de ingeniería energética en Penn State. "Idealmente, queremos encontrar algún tipo de tecnología de almacenamiento de energía que pueda complementar las energías renovables para ayudarnos a hacer la transición a una infraestructura energética más sostenible ".

Sistemas de energía renovable, como la eólica y la solar, son capaces de producir suficiente electricidad para alimentar comunidades enteras. Sin embargo, dependen de procesos naturales para producir la electricidad necesaria, y la naturaleza puede ser impredecible. Esto se traduce en reflujos y flujos en la generación de electricidad renovable. A veces, la energía eólica y solar pueden producir más de lo que la red puede manejar, llevando los precios de la electricidad a niveles negativos. Alternativamente, si el viento cesa o hay un período de mal tiempo, la producción se detiene y los precios se disparan.

Este fenómeno inspiró a Hall a comenzar a explorar más rentables, estrategias de almacenamiento de energía a través de múltiples proyectos de investigación colaborativa en Penn State.

Mejora de la química de la batería

Sala, junto con Christopher Gorski, profesor asociado de ingeniería ambiental, y Serguei Lvov, profesor de ingeniería energética y de minerales y ciencia e ingeniería de materiales y director del Programa de Tecnologías Electroquímicas del EMS Energy Institute, están utilizando la química de ligandos para mejorar el rendimiento electroquímico de las químicas de baterías más baratas, gracias a una subvención de los Institutos de Energía y Medio Ambiente (IEE) y del Instituto de Investigación de Materiales.

"El objetivo es intentar encontrar materiales más baratos para fabricar baterías, ", Dijo Hall." El principal obstáculo que nos detiene es que la mayoría de los materiales baratos tienen pequeñas densidades de almacenamiento de energía, lo que conduce a un rendimiento deficiente de la batería ".

Los ligandos son iones o moléculas que se unen a un metal central. Se utilizan comúnmente en la naturaleza y en procesos biomiméticos para alterar la reactividad de los metales, pero no se han utilizado anteriormente en baterías de flujo. Los investigadores están utilizando materiales como el cobre, hierro y cromo, que son más baratos que los materiales tradicionales como el litio, cobalto y vanadio, y emparejarlos con ligandos en un esfuerzo por reducir significativamente los costos de capital asociados con la producción de baterías.

Luego, el equipo realizará experimentos para identificar si los complejos metal-ligando logran altas densidades de almacenamiento de energía. Lo harán en tres pasos:termodinámico, cinético, y prueba de celda completa. En cada paso Se probarán diferentes parámetros clave para una batería de flujo redox típica. La fase termodinámica explorará cómo los ligandos impactan el potencial del electrodo, luego, la fase cinética probará cuánta corriente eléctrica se puede aprovechar. Finalmente, los investigadores probarán todos los componentes juntos para ver cómo funcionan al unísono.

"Aún faltan muchas partes de esta historia, por lo que este será en gran medida un proyecto de investigación fundamental, "Dijo Hall." No existe una teoría unificada real que explique cómo los ligandos impactan las reacciones electroquímicas ".

Los investigadores esperan que este proyecto, titulado "Nuevas químicas de batería de flujo de bajo costo a través de reacciones redox mejoradas con ligando, "proporcionará los resultados preliminares necesarios para buscar subvenciones más grandes destinadas a desarrollar nuevas químicas de baterías de flujo y obtener conocimientos fundamentales sobre por qué y cómo los ligandos alteran las reactividades de los complejos metálicos.

"Necesitamos comenzar a explorar todas nuestras opciones para el almacenamiento de energía porque cambiar nuestra infraestructura a energías renovables es una transición importante que es sensible al tiempo, ", Dijo Hall." Cuando construimos nuestra infraestructura de combustibles fósiles, lo hicimos durante muchas décadas. Ahora tenemos que averiguar cuáles son las mejores opciones, o la mayoría de las opciones funcionales, están, y luego construir una gran cantidad muy pronto ".

Convertir el calor residual en energía

Hall también está trabajando con Bruce Logan, profesor de ingeniería ambiental, y Matthew Rau, profesor asistente de ingeniería mecánica, en investigación financiada a través de otra subvención inicial que busca mejorar el rendimiento y la capacidad de salida de energía de las baterías de flujo que se cargan con calor residual en lugar de electricidad.

"Si pudiéramos encontrar una forma de redirigir el calor residual a la electricidad, incluso si es una pequeña cantidad a pedido, esto puede ayudar a reducir nuestra necesidad de generar más electricidad, "Dijo Hall.

Como en el otro proyecto de Hall, este equipo está utilizando un tipo de tecnología de batería de flujo, pero con un método de recarga térmica único. El proyecto, titulado "Aumento de la densidad de potencia y la eficiencia del ciclo de la novela, Baterías de flujo cargadas térmicamente con topologías de celda de flujo avanzadas, "intentará mejorar la densidad de potencia a través de diseños de campo de flujo de batería distintivos. Lo harán a través del modelado computacional utilizando el software COMSOL Multiphysics.

"La tecnología en la que estamos trabajando utiliza una composición química específica en la que se puede recargar la reacción química utilizando calor residual en lugar de electricidad, "Dijo Rau.

En una batería tradicional, una reacción química crea el potencial de descarga, generar electricidad. Cuando se invierte el proceso para recargar la batería, se debe usar algo de electricidad para hacerlo. Para esta nueva tecnología, los investigadores recargarán la batería separando dos productos químicos utilizando calor residual. Cuando esos productos químicos se vuelven a combinar, crearán una reacción química que generará electricidad, por lo tanto, elimina la necesidad de utilizar electricidad adicional para recargar la batería.

"Esta sería una tecnología que competiría con los métodos tradicionales de almacenamiento de energía, como baterías de iones de litio, pero único en el hecho de que no requiere electricidad, "Rau dijo." Requiere calor para cargar, así que básicamente estamos abriendo un nuevo recurso que podría potencialmente impulsar procesos industriales o parte de la red eléctrica ".

La idea básica ha existido alrededor de cinco años, Rau dijo, pero los investigadores buscan mejorar el rendimiento del modelo básico, para que sea comercialmente viable.

"Desarrollar esta tecnología no será fácil, ", dijo." Estas baterías hacen fluir electrolitos a través de electrodos porosos. El flujo de fluido por sí solo es lo suficientemente complicado como para modelarlo sin siquiera considerar las reacciones químicas que también ocurren. Estamos desarrollando la experiencia para modelar con precisión cómo el flujo de fluido en estas baterías afecta las diferentes reacciones químicas y, en última instancia, cómo estos parámetros se relacionan con la salida de energía de la batería ".

Los investigadores tienen la esperanza de que los experimentos preliminares realizados antes de comenzar este estudio les hayan proporcionado las herramientas necesarias para el éxito.

"Actualmente tenemos poco uso del calor residual en la industria y en la generación de energía, "Dijo Rau." Simplemente se desecha con el agua de enfriamiento o se arroja a la atmósfera en una chimenea de escape. Si realmente podemos aprovechar ese calor residual, aumentaremos la eficiencia energética de muchas industrias diferentes ".

Estos proyectos ilustran la necesidad de desarrollar a gran escala, tecnologías de almacenamiento de energía que combinan bien con tecnologías de energía renovable, Hall dijo.

"No habrá una solución que simplemente gane, ", agregó." Probablemente será una mezcla. Es una especie de situación de manos a la obra. Realmente no sabemos cuál funcionará o cuándo será necesario, así que creo que explorar múltiples opciones es la mejor manera de avanzar ".