Afrontar el reto del futuro almacenamiento comercial de energía con el bromuro de zinc ultrapuro PureFlow de TETRA
Por Archie Vest | Director Senior de Bromuros, Chemicals North America | 4 de mayo de 2023
Almacenamiento de energía a escala de red
El almacenamiento de energía está ampliamente reconocido como esencial para el suministro fiable de energía renovable y, en última instancia, para la viabilidad comercial de todas las instalaciones solares y eólicas a escala de red. Estas fuentes de energía son intrínsecamente intermitentes, ya que dependen de la luz solar y el viento, y por tanto requieren soluciones de almacenamiento para "nivelar" o "suavizar" el flujo de energía, garantizando un suministro constante de energía a lo largo del tiempo.[1]
En su mayor parte, las tecnologías de almacenamiento de energía a escala de red son mecánicas, térmicas o electroquímicas. Las soluciones de almacenamiento mecánico dominan la infraestructura e incluyen volantes de inercia, almacenamiento de energía por aire comprimido e hidroelectricidad por bombeo, siendo estas dos últimas las más extendidas [2].[2] Las soluciones térmicas se basan normalmente en la sal fundida o el agua, y utilizan el calor o el frío almacenados para generar energía durante los ciclos de inactividad. Las soluciones electroquímicas incluyen supercondensadores y baterías recargables de plomo-ácido, litio, níquel, sodio-azufre, vanadio o zinc [3].[3]
Las baterías de iones de litio son los dispositivos de almacenamiento recargables más conocidos, habiendo desplazado en gran medida a las antaño populares de níquel-cadmio. Ahora se utilizan en la mayoría de los productos de consumo que funcionan con baterías, desde teléfonos móviles y ordenadores portátiles hasta herramientas eléctricas y vehículos eléctricos. El litio-ion también domina a escala de red, representando más del 90% de los sistemas de almacenamiento a escala de red basados en baterías en EE. UU. en 2018.[4]
Sin embargo, las baterías de litio presentan importantes inconvenientes para el almacenamiento a escala de red: en primer lugar, actualmente no son rentables para ciclos de duración superior a tres horas[5]; y segundo, presentan un alto riesgo de incendio, que sería catastrófico en una instalación grande y de alta densidad.[6] De hecho, las grandes instalaciones de baterías de iones de litio suelen requerir costosos sistemas de extinción de incendios. Por último, para los mercados de EE.UU. y la UE, otra preocupación del litio es la seguridad del suministro, ya que más del 90% de la producción mundial del mineral se produce en Argentina, Australia, Chile y China [7].[7]
La alternativa al bromuro de zinc para las baterías de almacenamiento de energía
Para aplicaciones a escala de red, una excelente alternativa a las pilas de iones de litio para el almacenamiento de energía son las pilas de flujo de zinc-bromo. Inventadas en la década de 1970, las baterías de flujo de zinc-bromo utilizan materiales baratos y fáciles de conseguir, tienen una vida útil más larga, presentan poco riesgo de incendio, ya que los electrolitos no son inflamables, y ofrecen ciclos de duración más larga que sus homólogas de iones de litio.
De hecho, con la actual proliferación de instalaciones de almacenamiento de energía eólica y solar, el mercado de las pilas de zinc-bromo está creciendo rápidamente, con varias empresas que ya desarrollan e implantan pilas comerciales de zinc-bromo y acumulan grandes reservas de demanda.
Para responder a la creciente necesidad de almacenamiento de energía comercial, TETRA Technologies fue pionera en el uso de su bromuro de zinc ultrapuro TETRAPureFlow® en sistemas de almacenamiento a escala de red y en baterías de energía solar. TETRA cree que es el único productor de cantidades comerciales de bromuro de zinc en Estados Unidos y fabrica el bromuro de zinc PureFlow mediante un proceso patentado en su planta química de West Memphis, Arkansas.
En cuanto a la seguridad del suministro de recursos, TETRA posee los derechos mineros de extensos yacimientos de salmuera en Arkansas que, según las estimaciones, contienen 5,25 millones de toneladas de bromo. En la actualidad, la empresa está completando un estudio detallado de simulación geológica, de yacimientos y de producción para determinar y garantizar el suministro de bromo a largo plazo.
Las características de gran pureza del bromuro de zinc PureFlow lo hacen ideal para tecnologías de baterías a gran escala, duraderas y de alto rendimiento. Hasta la fecha, el bromuro de zinc PureFlow ha sido probado y cualificado por tres fabricantes distintos de baterías de almacenamiento de zinc-bromo. En 2021, TETRA firmó un acuerdo con Eos Energy Enterprises para la colaboración y el suministro a largo plazo de bromuro de zinc para apoyar la producción de la innovadora pila acuosa de zinc Znyth de Eos. Con sede en Edison, Nueva Jersey, Eos es un proveedor líder de sistemas de almacenamiento de energía de larga duración basados en zinc seguros, escalables, eficientes y sostenibles.
La ciencia de la pila de zinc-bromo
Existen dos tipos de pilas de zinc-bromo, las de flujo y las de no flujo. Como cabría suponer, el contenido de la pila de flujo circula, mientras que el de la pila de no flujo es estacionario. Sin embargo, ambas utilizan bromuro de zinc como parte del electrolito. La pureza del bromuro de zinc es primordial para el rendimiento y la vida útil de la pila, y el bromuro de zinc ultrapuro PureFlow de TETRA ofrece una de las purezas más altas del sector.
En términos sencillos, una pila de zinc-bromo almacena energía eléctrica en el ciclo de carga mediante el recubrimiento de zinc (Zn) sobre una placa anódica conductora -típicamente carbono o titanio- mientras transforma los iones de bromuro (Br¯) con carga negativa en bromo (Br2). Al suministrar energía en el ciclo de descarga, el proceso se invierte: el zinc recubierto en el ánodo se disuelve en la solución electrolítica, quedando disponible para ser recubierto de nuevo en el siguiente ciclo de carga. La capacidad energética depende del tamaño de los depósitos electrolíticos y de los electrodos anódico y catódico.
La elegancia de la pila de zinc-bromo reside en la alta densidad energética, los ciclos de larga duración, la larga vida útil y la reciclabilidad del electrolito. La pila puede proporcionar un gran número de ciclos con poca degradación y, cuando se agota, el bromuro de zinc puede recuperarse, renovarse y posiblemente reutilizarse en otra pila o para otros usos, como los fluidos de terminación utilizados en pozos de petróleo y gas. En otras palabras, las pilas de bromo-zinc ofrecen el potencial de una fuente de energía verdaderamente renovable.
FIGURA 1: El diagrama muestra una pila de flujo de zinc-bromo, que utiliza bombas para hacer circular el electrolito acuoso de zinc-bromuro.
Crecimiento previsto de las baterías comerciales de almacenamiento de energía
Mientras que muchas previsiones para el mercado estadounidense de almacenamiento de energía estacionario oscilan entre el 25% y el 35% de tasa de crecimiento anual compuesto (TCAC) en los próximos 10-15 años -una tasa considerable se mire por donde se mire-, la Administración de Información Energética del Gobierno de Estados Unidos es aún más optimista y prevé que la demanda estadounidense de almacenamiento en baterías pase de 7,8 gigavatios (GW) en 2022 a 30 GW en 2025, lo que supone una asombrosa TCAC del 57% en tres años [8].[8]
FIGURA 2: Capacidad de almacenamiento en baterías de EE.UU. en GW, 2015-2025, operativa y prevista. FUENTE: EIA.
La previsión mundial es aún mayor. En octubre de 2022, Bloomberg New Energy Finance (BNEF) informó de que "se prevé que las instalaciones de almacenamiento de energía en todo el mundo alcancen un total acumulado de 411 gigavatios (o 1.194 gigavatios-hora) a finales de 2030", lo que supone un aumento de 15 veces.[9] La mayor parte del crecimiento se espera en Estados Unidos y China, los dos mayores mercados, pero el almacenamiento de energía es ahora una de las principales infraestructuras en todos los continentes.
La transición energética mundial ya está en marcha y se acelera rápidamente. Las instalaciones de energía eólica y solar proliferan en todo el mundo y en Estados Unidos, y con ellas la necesidad de almacenamiento de energía a escala de red. Los sistemas de almacenamiento en baterías son, sin duda, las tecnologías de almacenamiento de energía a escala de red más escalables y adaptables, ya que permiten un despliegue más rápido y ocupan menos espacio que, por ejemplo, un sistema hidroeléctrico de bombeo, que requiere grandes extensiones de terreno y una construcción más compleja.
De los distintos tipos de pilas para el almacenamiento de energía a escala de red, las pilas de bromuro de zinc son una de las mejores pilas para el almacenamiento de energía solar y los proyectos de energía renovable. Y para garantizar la larga vida útil y la fiabilidad de las baterías, los niveles de pureza del bromuro de zinc ultrapuro TETRA PureFlow® ofrecen una de las mejores opciones para los fabricantes de baterías.
Notas finales
[1] EIA, "US Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025", 8 de diciembre de 2022.
[2] Shin-ichi Inage, "Prospects for Large-Scale Energy Storage in Decarbonised Power Grids", Agencia Internacional de la Energía, 2009, p. 19.
[3] Cabe señalar que el ritmo de innovación en tecnologías de almacenamiento de energía se acelera rápidamente, por lo que esta lista de soluciones, incluidos los tipos de baterías, no es exhaustiva.
[4] EIA, "Almacenamiento de baterías en Estados Unidos: An Updte on Market Trends", julio de 2020. Véase también David Hart y Alfred Sarkissian, "Deployment of Grid-Scale Batteries in the United States", informe elaborado para la Oficina de Política Energética y Análisis de Sistemas del Departamento de Energía de Estados Unidos, 2016, p. 2.
[5] Chris McKay, "How Three Battery Types Work in Grid-Scale Energy Storage Systems", Windpower Engineering & Development, 18 de marzo de 2019. Véase también The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2 de mayo de 2019.
[6] The Korea Times, "Gov't Officials Clueless about Cause of ESS Fires", 2 de mayo de 2019.
[7] Govind Bhutada, "Gráfico: Lithium Production by Country (1995-2020)", visualcapitalist.com, 9 de febrero de 2022.
[8] EIA, "U.S. Battery Storage Capacity Will Increase Significantly by 2025", 8 de diciembre de 2022.
[9] Veronika Henze, "Global Energy Storage Market to Grow 15-Fold by 2030", BNEF, 12 de octubre de 2022.
