Investigadores de la Universidad de Burgos en España, la Universidad de Padua en Italia, la Universidad Aalto en Finlandia, la Universidad de Bohemia Occidental Pilsen en Chequia, y la Alianza Vasca de Investigación y Tecnología (BRTA) han llevado a cabo un análisis exhaustivo de todas las tecnologías de baterías de flujo redox (RFB) y RFP híbridas. Argumentan que estas tecnologías son alternativas prometedoras a las tecnologías de iones de litio en aplicaciones de almacenamiento estacionario.
El almacenamiento de flujo redox tiene ventajas sobre otras tecnologías de almacenamiento, tales como diseño/operación modular flexible, escalabilidad, costes moderados de mantenimiento, ciclos de larga duración, alta eficiencia de ida y vuelta (RTE), profundidad de descarga (DoD), rápida capacidad de respuesta e impactos ambientales insignificantes, según los investigadores. La mayoría de estos factores positivos se relacionan con la capacidad única de la tecnología para desacoplar la energía y la potencia.
«Las limitaciones de potencia y densidad de energía en comparación con otras tecnologías, como las baterías de iones de litio, se superan generalmente gracias a que la escalabilidad es más rentable», dijo el grupo.
Las baterías de flujo redox de vanadio (VRFBs) y las baterías de flujo redox de zinc-bromo (ZBFBs) –los tipos más representativos de baterías de flujo híbrido– son el verdadero “state of the art”, afirmaron los investigadores. Sin embargo, el camino para llevarlas al éxito comercial y a su aplicabilidad es todavía «un largo camino por recorrer», añadieron.
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La principal barrera para los VRFB es la baja disponibilidad y el alto costo del vanadio, así como la necesidad de un inversor bidireccional DC/AC para interconectar la red. Sin embargo, recientemente se han logrado avances en la composición del electrolito, la membrana y el electrodo, así como mejoras en la eficiencia y en las densidades de potencia y corriente.
Otra gran ventaja de estas tecnologías es la capacidad de «responder inmediatamente a la demanda de energía de la red, haciendo frente a los servicios de calidad de la red, como la compensación de la caída y la regulación de la frecuencia», dijeron los investigadores. El costo nivelado del almacenamiento (LCOS) de esas baterías se ha estimado en 0,18 kW h─1ciclo h─1 .
«La investigación actual tiene como objetivo los electrolitos capaces de aumentar las concentraciones de material activo y la densidad de energía, las membranas con mayor conductividad de protones y menor cruce de iones, los electrodos porosos capaces de un mejor rendimiento hidráulico», dijeron los científicos. «Sin embargo, aún quedan problemas importantes. Los bajos valores de densidad de energía hacen que un sistema VRFB sea mucho más voluminoso que un sistema equivalente de Li-ion».
Baterías con base de zinc
Los ZBFB son dispositivos con densidades de corriente bastante bajas, pero sin limitaciones de ciclo de vida, ya que los electrolitos no están sujetos a los efectos del envejecimiento.
«Los sistemas piloto ZBFB son capaces de duraciones de carga/descarga de hasta 10 h, un rendimiento comparable al de los VRFB comerciales y pueden funcionar con densidades de corriente de hasta 80 mA cm h─2, con eficiencias energéticas de alrededor del 80%», dijeron los académicos.
También explicaron que las tecnologías de almacenamiento de flujo redox basadas en el zinc no son más baratas que las basadas en el vanadio, aunque el zinc y el bromo son materiales de bajo costo. Estas baterías necesitan en realidad costosos “agentes secuestrantes” para evitar las emisiones tóxicas de vapor de bromo. Su LCOS se estima en más de 0,20 kW h─1 ciclo h─1.
Otros dispositivos
Los investigadores también examinaron baterías acuosas inorgánicas alternativas de flujo puro como las baterías de flujo redox de vanadio-oxígeno (VORFB), baterías de flujo redox de vanadio-bromo (VBFB), baterías de flujo de hidrógeno y bromo (HBFB), baterías de flujo redox basadas en polioxometalatos (POM-RFB) y baterías de flujo redox orgánico acuoso (AORFB). Además, analizaron diferentes materiales para los electrolitos y las membranas. Presentaron el caso de las baterías de flujo semisólido (SSFBs) y las baterías de flujo sólido dirigido/mediado/impulsado (SMFBs).
También estudiaron dispositivos híbridos de flujo/no flujo como las baterías de flujo de par redox basadas en soluciones metálicas, así como los sistemas de almacenamiento de flujo redox basados en zinc, hierro, cobre o metal y aire. Además, los científicos estudiaron el potencial de las baterías de flujo redox solar (SRFBs), baterías de flujo de azufre que respiran aire y baterías de metal-CO2.
«La investigación y el desarrollo que apunte a las RFB de bajo costo debería centrarse no solo en los materiales económicos sino también en el rendimiento optimizado del sistema, principalmente en lo que respecta a la densidad de energía y la densidad de potencia, manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia», dijeron los investigadores. «De acuerdo con la larga vida útil y la aplicación a gran escala que caracterizan a las RFB para los objetivos de almacenamiento de energía estacionaria, la estabilidad y la seguridad de los materiales empleados son cruciales para garantizar la sostenibilidad y asegurar el éxito final».
Afirmaron que se podría lograr un LCOS general de 0,05 kW h─1 ciclo h─1 para las tecnologías más prometedoras para 2030. Presentaron sus conclusiones en “Redox flow batteries: Status and perspective towards sustainable stationary energy storage”, que se publicó recientemente en el Journal of Power Sources.
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