La batería térmicamente regenerativa produce una gran cantidad de energía utilizando calor residual de bajo grado

La batería térmicamente regenerativa produce una gran cantidad de energía utilizando calor residual de bajo grado

julio 12, 2022 0 Por RenzoC

Las baterías de amoníaco térmicamente regenerativas pueden producir electricidad bajo demanda a partir del calor residual de baja calidad. Un nuevo proceso para crear estas baterías mejora su estabilidad y asequibilidad y puede ayudar a abordar el creciente problema de almacenamiento de energía a escala de red del país, según un equipo dirigido por investigadores de Penn State.

“Podemos usar el amoníaco como portador de energía para aprovechar el calor residual y recargar algunas baterías”, dijo Derek Hall, profesor asistente de ingeniería energética. «Pero las químicas de las baterías anteriores usaban electrodos metálicos de zinc o cobre, que presentaban importantes contratiempos en términos de estabilidad de los electrodos. Lo que hicimos fue reemplazar estas reacciones basadas en la deposición con una nueva química compleja de cobre para resolver muchos de los principales problemas que enfrentaban los investigadores anteriores».

El calor residual de bajo grado es una fuente importante de energía no utilizada en los EE. UU. y en todo el mundo, con 60 teravatios-hora de energía desechados en el medio ambiente cada año por las centrales eléctricas y la industria, según estudios recientes. Existen tecnologías que pueden convertir este calor residual de bajo grado en energía, incluidas las celdas termoelectroquímicas (TEC), los ciclos electroquímicos térmicamente regenerativos (TREC) y las baterías de amoníaco térmicamente regenerativas (TRAB); sin embargo, todavía existen muchas limitaciones para estas configuraciones de batería.

Los TEC de estado sólido son más simples de operar que los sistemas electroquímicos, pero exhiben densidades de potencia excepcionalmente bajas y carecen de la capacidad de almacenar energía. Los TEC y los TREC tienen eficiencias térmicas más altas, pero aún sufren densidades de energía bajas, lo que limita su viabilidad. De ellos, los TRAB tienen las densidades de energía más grandes con eficiencias energéticas que son competitivas con las otras tecnologías de calor de bajo grado, pero se han basado en metales preciosos de costo prohibitivo como la plata o electrodos de metal usados ​​que se degradan rápidamente, dijeron los científicos.

Con una subvención del Departamento de Energía de EE. UU., los investigadores de Penn State querían probar complejos de cobre totalmente acuosos en TRAB con la esperanza de que pudieran mejorar tanto el rendimiento como la durabilidad de la batería. Sus resultados fueron publicados recientemente en el Journal of Power Sources.

“El abastecimiento y la fabricación de cobre es mucho más fácil en comparación con otros elementos raros y minerales críticos utilizados en las baterías”, dijo Hall. «Si se desarrollan, las químicas de las baterías como estas pueden ayudar a abordar nuestro creciente problema de almacenamiento de energía a escala de la red mediante el aprovechamiento de estas fuentes masivas de calor residual no utilizadas».

Dado que las reacciones de cobre totalmente acuosas nunca antes se habían utilizado en una batería de amoníaco térmicamente regenerativa, Hall dijo que el primer paso era ver si esta química funcionaría.

Los TRAB funcionan de manera similar a otras baterías de flujo híbridas y convencionales. Los electrolitos de las baterías están contenidos en tanques de almacenamiento, que se bombean a un reactor electroquímico para producir o almacenar electricidad. El tamaño del reactor se correlaciona directamente con la capacidad de potencia y el tamaño del tanque se correlaciona con la capacidad de energía. La mayoría de los TRAB son conceptos de batería de flujo híbrido, ya que funcionan mediante reacciones redox que depositan y agotan los metales en los electrodos. Sin embargo, a diferencia de otras baterías de flujo, las TRAB pueden recargarse utilizando calor residual de baja calidad a través de un proceso de separación de amoníaco.

Los investigadores investigaron las limitaciones de potencia y densidad de energía y cómo se ven afectadas por la composición de electrolitos y las corrientes de descarga a través de una serie de pruebas de celdas individuales. Al aumentar la concentración de amoníaco, la densidad de potencia de la batería aumentó, pero la densidad de energía disminuyó. El aumento de las densidades de corriente de descarga aumentó la densidad de potencia promedio durante la descarga sin pérdidas sustanciales en la densidad de energía. El aumento de la concentración de cobre aumentó tanto la densidad de energía como la eficiencia energética, pero no tuvo un gran impacto en la densidad de potencia. Según la composición del electrolito, la batería producía una densidad de potencia de hasta 30 milivatios por centímetro cuadrado y densidades de energía de hasta 2 vatios-hora por litro. Estos resultados representan algunos de los rendimientos más altos jamás logrados para un sistema de conversión de calor residual de baja calidad basado en membranas.

“Lo que aborda esta batería es una brecha técnica en nuestro proceso de utilización de energía”, dijo Hall. “Solo una fracción del calor entrante que usamos para los combustibles fósiles se convierte en energía útil. Más del 50 % se desperdicia en algunos casos, por lo que poder tener algo como esto que pueda utilizar ese flujo de desecho y generar más energía proporciona un valor adicional de estos preciados recursos. Es bueno para el medio ambiente al hacernos más eficientes energéticamente».

Los próximos pasos de los investigadores son optimizar aún más el diseño en sí y considerar cómo se puede implementar esta tecnología en el campo, tanto desde el diseño del sistema como desde la perspectiva económica. Quieren explorar cómo se integraría en un sistema de energía térmica y qué tamaño de huella física necesitaría para producir cantidades utilizables de potencia y energía.

«La transición energética global va a ocurrir de innumerables maneras porque la descarbonización debe ocurrir en muchos sectores diferentes», dijo Nicholas Cross, candidato a doctorado en ingeniería química en Penn State y autor principal del proyecto. «Esta tecnología podría impulsar esa transición de cómo y dónde se producen la energía y la energía mediante el acoplamiento de nuevos sistemas a la infraestructura ya existente».

Otros investigadores en este proyecto incluyen a Christopher Gorski, profesor asociado de ingeniería ambiental; Bruce Logan, Profesor Kappe y Profesor de la Universidad Evan Pugh; Serguei Lvov, profesor de ingeniería de energía y minerales y ciencia e ingeniería de materiales; y Matthew Rau, profesor asistente de ingeniería mecánica.

The Lubrizol Corporation, una empresa de Berkshire Hathaway, asesoró a Penn State en esta investigación para garantizar que los objetivos del proyecto coincidieran con las necesidades de la industria. The Lubrizol Corporation desarrolla tecnologías de almacenamiento de energía para una amplia gama de aplicaciones industriales.