LA TECNOLOGÍA DE BATERÍA DE FLUJO DE HIERRO Y SU PAPEL EN EL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

El almacenamiento de energía es un tema de debate candente en el sector de los servicios públicos y la generación de energía alternativa, ya que es crucial para apoyar los sistemas de suministro, transmisión y distribución de electricidad de la red. Para nuestro proveedor de servicios públicos, los reguladores y los operadores de la red, eso significa una forma más resistente y fiable de alimentar la red durante el periodo de máxima demanda de energía, reduciendo la presión sobre las fuentes más tradicionales de generación de energía, como las centrales eléctricas de carbón o gas. 

El resultado es una mayor eficiencia y una menor dependencia de las fuentes de energía que producen gases de efecto invernadero. Los avances en las baterías están logrando que los calentadores eléctricos sean soluciones eficaces para la descarbonización. Se está produciendo una transición para abandonar los gases, que tradicionalmente eran la opción principal antes de la llegada de las soluciones de almacenamiento de energía. 

Aplicaciones de las soluciones de almacenamiento de energía

La utilización de los sistemas de almacenamiento de energía se divide en seis categorías:

• Ayudar a las fuentes de energía renovables a integrarse en la red comercial. Dado que las fuentes de energía renovables como la eólica, la solar y la biomasa pueden fluctuar en su capacidad de generación, la solución de almacenamiento de energía sostenibleproporciona un suministro fiable a la red.
• Pueden mejorar la eficiencia de la red gracias a su mayor densidad energética, al aumentar el factor de capacidad de los recursos existentes, con lo que se «equilibra» la red y se reduce la tendencia a compensar la necesidad de energía producida usando centrales eléctricas contaminantes.
• Durante el período de arranque de las centrales eléctricas de carbón, gas o aceite de caldera, las soluciones de almacenamiento de energíaproporcionan un suministro eficiente de electricidad.
• Pueden reducir los costos operativos de toda la infraestructura de la red gracias a su arquitectura modular y de menor mantenimiento.
• Almacenan energía cuando los precios de la electricidad son bajos y la recuperan cuando los precios suben, reduciendo así el costo para los usuarios finales. 

Soluciones de almacenamiento en baterías de flujo de hierro

Las soluciones de almacenamiento basadas en baterías de flujo de hierro han supuesto recientemente un avance histórico para contrarrestar algunas de las desventajas de las soluciones de baterías de iones de litio. Ofrecen una solución de almacenamiento de energía segura, no inflamable, no explosiva, de alta densidad de potencia y rentable.

En esencia, las baterías de flujo de hierro son celdas electroquímicas en las que un electrolito almacenado en tanques externos actúa como fuente de energía. Las bombas de flujo transfieren los electrolitos a los electrodos, extrayendo electrones y proporcionando energía a la red. A su vez, el electrolito gastado se bombea de nuevo a los tanques de almacenamiento hasta que la fuente de energía principal, como una planta de energía solar o un molino de viento, vuelva a generar energía. En ese caso, el electrolito gastado se bombea al electrodo, cargando así el electrolito y bombeándolo al tanque de almacenamiento externo. 

El electrolito de las baterías de flujo de hierro consiste en sales de hierro, que son minerales terrestres abundantes en forma ionizada que almacenan la energía eléctrica en forma de energía química. 

Resumen de la reacción redox de la batería de flujo de hierro

La reacción química redox (reducción-oxidación) en todas las baterías de flujo de hierro consiste en el acoplamiento de FeCl2 y FeCl3 en el ánodo (electrodo positivo) y de FeCl2 y hierro metálico en el cátodo (electrodo negativo). Durante la producción de electricidad o fase de descarga, el FeCl3 en el ánodo se reduce a FeCl2, y en el cátodo (electrodo negativo) el hierro metálico se disuelve en el electrolito como FeCl2. El proceso se invierte en la fase de carga. 

Una membrana de intercambio iónico separa las dos soluciones químicas (FeCl2+FeCl3 y FeCl+ Fe). Los iones se intercambian a través de estas membranas mientras que los líquidos circulan por sus respectivos compartimentos. Es importante señalar que en las pilas de flujo de hierro o de flujo redox, ambos compartimentos están llenos de pares redox solubles.

Comparación de la batería de flujo de hierro con la batería de iones de litio

Aunque las baterías de iones de litio son una de las más populares para el almacenamiento de energía, están plagadas de problemas de alta toxicidad, sin ventajas de almacenamiento de energía a largo plazo, alta inflamabilidad, y una vida útil que depende de los ciclos de carga-descarga. 

La batería de flujo de hierro puede almacenar energía hasta 12 horas en la tecnología actual, con perspectivas de ampliarla a 15 horas. Las baterías de iones de litio están limitadas a un máximo de 4 horas. No son inflamables, no son tóxicas y no hay riesgo de explosión en comparación con las baterías de iones de litio. 

Los hidratos de litio son tóxicos y reaccionan violentamente cuando se encuentran con el agua. También se corroen en el aire, mientras que el hierro no es tóxico y solo reacciona ligeramente con el agua y el aire. En teoría, las baterías de flujo de hierro tienen una vida útil ilimitada, y su carga almacenada no se degrada, incluso después de varios años de carga y descarga. 

En cambio, la batería de iones de litio está limitada a entre 7.000 y 10.000 ciclos y a entre 7 y 10 años de uso, después de lo cual la eliminación medioambiental de estas baterías se convierte en un verdadero reto. Las temperaturas de funcionamiento de las baterías de flujo de hierro oscilan entre -10 ˚C y 50 ˚C sin necesidad de ventilación de los sistemas de refrigeración. La ventilación desempeña un papel crucial en las baterías de iones de litio. Especialmente para los sistemas de escala comercial, la temperatura preferida de funcionamiento es de 24 ˚C a 26 ˚C. Después de un tiempo, su capacidad para mantener o almacenar la carga se ve afectada negativamente. 

Tamaño y escalabilidad

Una de las ventajas de las baterías de iones de litio es que están diseñadas para aplicaciones móviles como computadoras portátiles, teléfonos móviles y otras soluciones de movilidad. Son pequeñas, compactas y móviles, mientras que las baterías de flujo de hierro ocupan un espacio mucho mayor. De este modo, las baterías de flujo de hierro son adecuadas para el almacenamiento comercial e industrial a gran escala. 

Las baterías de iones de litio no se han desarrollado específicamente para aplicaciones a escala comercial y de red. Sin embargo, ofrecen una disponibilidad a gran escala, una densidad de potencia mucho mayor, el mismo costo de capital que las baterías de flujo de hierro, y las eficiencias de fabricación han acelerado su crecimiento. Esto las convierte en una fuerte competencia para las baterías de flujo hasta que estas se pongan al día. 

Otro aspecto importante es la escalabilidad de los sistemas de baterías de flujo de hierro. Aunque el equipo fijo, tal como la electrónica de potencia, el tanque, el módulo de potencia y la estructura de soporte, sigue siendo el mismo, la forma más fácil de aumentar la duración del almacenamiento es añadir más electrolitos. 

Dado que la energía se almacena en el electrolito, cuanto más electrolitos se almacenen, más escalable será el almacenamiento. El electrolito se basa esencialmente en el hierro, el agua y la sal, elementos todos ellos abundantes en la tierra. De este modo, la solución es más respetuosa con el medio ambiente que la batería de iones de litio. La batería de iones de litio, basada en metales de tierras raras, emite un 67 % más de gases de efecto invernadero que la batería de flujo de hierro y supone un riesgo medioambiental cuando llega al final de su vida útil.