Sección 1
Sección 1 Introducción A medida que el viento y la energía solar se expanden para dominar las redes eléctricas globales, presentan un desafío fundamental: la intermitencia. La energía solar desaparece por la noche, y el viento puede morir por días a la vez. Mientras que las baterías de iones de litio son excelentes para el almacenamiento de energía a corto plazo (típicamente de 2 a 4 horas), son demasiado caros para el almacenamiento de cuadrícula multi-día o estacional. Para construir una red de energía totalmente descarbonizada, necesitamos tecnologías de almacenamiento energético de bajo costo y larga duración (LDES). Las baterías de hierro-aire, que almacenan energía a través de la oxidación controlada y la intrusión de hierro, han surgido como un contendiente líder. Ofreciendo una duración de almacenamiento de 100 horas a una fracción del costo de iones de litio, esta tecnología podría desbloquear la próxima fase de la revolución de energía renovable.
Sección 2
Sección 2 Este artículo analiza los mecanismos químicos, la física de los costos y el potencial de cuadrícula de las baterías de hierro-aire. La química del uso como almacenamiento energético La química operativa de una batería al aire de hierro es elegante en su simplicidad, utilizando el proceso natural de oxidación de hierro, comúnmente conocido como oxidación. La batería consiste en un ánodo hecho de metal de hierro abundante y poroso, un electrolito alcalino líquido (típicamente hidroxido de potasio), y una cátodo que respira aire. Durante la descarga, la batería respira oxígeno del aire. Las moléculas de oxígeno reaccionan en la cátodo, formando iones hidroxilos que viajan a través del electrolito al ánodo de hierro, donde oxidan el hierro en óxido de hierro (fuera). Esta reacción a la oxidación libera electrones, generando corriente eléctrica: Fe + 2OH- – Conf(OH)2 + 2e-.
Sección 3
Sección 3 Para cargar la batería, se aplica una corriente eléctrica en reversa, convirtiendo el óxido de hierro de nuevo en hierro metálico y liberando oxígeno, un proceso equivalente a “desactivar” la batería. Abundancia material inigualable y bajo costo La principal ventaja de las baterías de hierro-aire sobre los sistemas de iones de litio radica en los costos de materias primas y la estabilidad de la cadena de suministro. Las baterías de iones de litio dependen de materiales costosos y geopolíticamente sensibles como el cobalto, el níquel y el litio, que son propensos a suministrar cuellos de botella. En cambio, los materiales activos de una batería de hierro-aire son hierro, agua y aire. El hierro es el metal más refinado de la Tierra, con vastas cadenas globales de suministro y capacidades masivas de producción. En consecuencia, se estima que el costo material de una batería de hierro-aire es inferior a 20 dólares por kilovatio-hora de capacidad, en comparación con más de 100 a 130 dólares por kilovatio-hora para sistemas de iones de litio.
Sección 4
Sección 4 Este coste ultra-bajo hace que las instalaciones a gran escala multi-día de larga duración sean económicamente viables. Baja densidad de energía: el comercio de huella de tierra Aunque la química del aire de hierro es ideal para el almacenamiento de cuadrícula, tiene una limitación significativa: baja densidad de energía. Las baterías de hierro son pesadas y voluminosas, por lo que son totalmente inadecuadas para vehículos eléctricos o electrónicos portátiles donde el peso y el espacio son limitaciones críticas. Sin embargo, para las instalaciones de red, el tamaño físico es una preocupación secundaria. Una estación de baterías de hierro-aire requiere más área de tierra que un equivalente de iones de litio, pero se puede alojar en estructuras modulares, tipo almacén situadas cerca de parques eólicos, campos solares o centrales eléctricas de carbón retirado, reutilizando conexiones de red existentes e infraestructura sin necesidad de desminado excesivo. Carga lenta y descarga Ciclo Mecánica Las baterías Iron-air funcionan en un mecanismo de ciclo lento, diseñado para descargar continuamente por hasta 100 horas (unos 4 días).
Sección 5
Sección 5 Tienen una menor eficiencia de ida y vuelta (RTE) que las baterías de iones de litio. Mientras que los sistemas de iones de litio cuentan con un RTE del 85% al 90%, las baterías de hierro-aire suelen funcionar a una eficiencia del 40% al 50% debido a la energía necesaria para impulsar el proceso de reducción de oxidación electroquímica. Sin embargo, esta menor eficiencia se ve compensada por el bajo costo del capital y por el hecho de que están diseñados para almacenar energías renovables baratas y excedentes que de otro modo serían desperdiciadas (detalladas) durante los períodos de producción pico. Conclusión Las baterías Iron-air representan un vínculo vital que falta en la infraestructura mundial de energía renovable. Utilizando la química simple del óxido de hierro, esta tecnología proporciona una solución ultra-bajo costo y ecológica a la intermitencia de la red multi-día de energía eólica y solar. Libre de las limitaciones de la cadena de suministro y de los riesgos de incendio de los sistemas de almacenamiento de iones de litio y aire de hierro se pueden desplegar a nivel mundial utilizando la infraestructura industrial existente. A medida que aumenta la producción comercial, estas baterías desempeñarán un papel central en la estabilización de las redes energéticas futuras, facilitando la jubilación permanente de las plantas de pico alimentadas por combustibles fósiles.