Los investigadores de Stanford han desarrollado una batería a base de agua que podría proporcionar una forma económica de almacenar la energía eólica o solar generada cuando el sol brilla y el viento sopla para que pueda retroalimentarse a la red eléctrica y redistribuirse cuando la demanda es alta.

El prototipo de batería de hidrógeno y manganeso, informó hoy en Energía de la naturaleza , mide solo tres pulgadas de alto y genera solo 20 milivatios hora de electricidad, que está a la par con los niveles de energía de las linternas LED, se podría colgar un llavero.

A pesar de la diminuta producción del prototipo, los investigadores confían en que pueden llevar esta tecnología de sobremesa 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 de más de una década.

Yi Cui, profesor de ciencia de los materiales en Stanford y autor principal del artículo, dijo que la tecnología de las baterías de hidrógeno y manganeso 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 que emiten carbono cuando las fuentes renovables no lo son disponible.

"Lo que hemos hecho es echar una sal especial al agua, cayó en un electrodo, y creó una reacción química reversible que almacena electrones en forma de gas hidrógeno, "Dijo Cui.

Química inteligente

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

Para imitar cómo una fuente eólica o solar podría alimentar la batería, los investigadores conectaron 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 burbujeó como gas hidrógeno, almacenando así esa energía para uso futuro. Los ingenieros saben cómo recrear la electricidad a partir de la energía almacenada en el gas hidrógeno, por lo que el siguiente paso importante fue demostrar que la batería a base de agua se puede recargar.

Los investigadores hicieron 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 adheridas al electrodo a combinarse con el agua, reposición de la sal de sulfato de manganeso. Una vez que se restauró esta sal, los electrones entrantes se volvieron excedentes, y el exceso de energía podría burbujear como gas hidrógeno, en un proceso que puede repetirse una y otra y otra vez.

Cui estimó que, dada la vida útil esperada 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 con los objetivos del Departamento de Energía (DOE) para el almacenamiento eléctrico a escala de servicios públicos. "Dijo Cui.

El DOE ha recomendado que las baterías para el almacenamiento a escala de red deben almacenar y luego descargar al menos 20 kilovatios de energía durante un período de una hora. ser capaz de 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 exsecretario del Departamento de Energía y premio Nobel Steven Chu, ahora profesor en Stanford, tiene un interés de larga data en fomentar tecnologías para ayudar a la nación en la transición hacia la energía renovable.

"Si bien los materiales y el diseño precisos aún deben desarrollarse, este prototipo demuestra el tipo de ciencia e ingeniería que sugiere nuevas formas de lograr bajo costo, baterías de larga duración a escala de servicios públicos, "dijo Chu, que no era miembro del equipo de investigación.

Alejándose del carbono

Según estimaciones del DOE, Aproximadamente el 70 por ciento de la electricidad de los EE. UU. es generada por plantas de carbón o gas natural, que representan el 40 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono. Cambiar a la generación eólica y solar es una forma de reducir esas emisiones, pero crea un nuevo desafío que involucra la variabilidad del suministro de energía. Lo más obvio, el sol solo brilla de día y, algunas veces, el viento no sopla.

Pero otra forma de variabilidad menos entendida pero importante proviene de los aumentos repentinos de la demanda en la red:esa red de cables de alta tensión que distribuyen la electricidad en las regiones y, en última instancia, en los hogares. En un día caluroso, cuando la gente llega a casa del trabajo y enciende el aire acondicionado, Las empresas de servicios públicos deben tener estrategias de equilibrio de carga para satisfacer la demanda máxima:alguna forma de impulsar la generación de energía en cuestión de minutos para evitar caídas de tensión o apagones que, de otro modo, podrían provocar la caída de la red.

Hoy en día, las empresas de servicios públicos a menudo logran esto al encender plantas de energía "despachables" o bajo demanda que pueden permanecer inactivas gran parte del día. pero puede estar en línea en 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 plantas de combustión de combustibles fósiles. El efecto de costo más común de esta estrategia es el almacenamiento hidroeléctrico bombeado:usar el exceso de energía para enviar agua cuesta arriba, luego dejar que fluya hacia abajo para generar energía durante los picos de demanda. Sin embargo, El almacenamiento hidroeléctrico solo funciona en regiones con el agua y el espacio, así que para hacer que la energía eólica y solar sean más útiles, el DOE ha alentado las baterías de alta capacidad como 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 demostrarán su practicidad para las empresas de servicios públicos, reguladores y otras partes interesadas que mantienen la red eléctrica del país.

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

"Otras tecnologías de baterías recargables cuestan fácilmente más de 5 veces ese costo durante su vida útil, "Añadió Cui.

Chen dijo química novedosa, Los materiales de bajo costo y la relativa simplicidad hicieron que la batería de manganeso-hidrógeno fuera ideal para un despliegue de bajo costo a escala de red.

"El avance que informamos en Energía de la naturaleza tiene el potencial de cumplir con los criterios de escala de cuadrícula del DOE, "Dijo Chen.

El prototipo necesita trabajo de desarrollo para demostrar su valía. 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 un despliegue a gran escala. Pero Chen dijo que el equipo ya está trabajando en formas más baratas de hacer que el sulfato de manganeso y el agua realicen el intercambio de electrones reversible.

"Hemos identificado catalizadores que podrían llevarnos por debajo del objetivo del DOE de $ 100 por kilovatio hora, " él dijo.

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

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

Yi Cui también es profesor en la Dirección de Ciencia de Fotones en el Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC, y miembro principal del Precourt Institute for Energy, miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias de Stanford. Los coautores adicionales incluyen Guodong Li, académico visitante en ciencia e ingeniería de materiales y ahora en la Academia de Ciencias de China; académicos postdoctorales Hongxia Wang, Jiayu Wan, Lei Liao, Guangxu Chen y Jiangyan Wang; el erudito visitante Hao Zhang; y estudiantes de posgrado Zheng Liang, Yuzhang Li y Allen Pei.