Bateries de flux: el futur de l'emmagatzematge d'energia

Bateries de flux: el futur de l'emmagatzematge d'energia

introducció

L'emmagatzematge d'energia és un component clau del sistema elèctric modern, ja que pot proporcionar flexibilitat, fiabilitat i resistència a la xarxa. L'emmagatzematge d'energia pot ajudar a equilibrar l'oferta i la demanda d'electricitat, integrar fonts d'energia renovables, reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i millorar la qualitat i la seguretat de l'energia.

Tanmateix, no totes les tecnologies d'emmagatzematge d'energia es creen iguals. Alguns d'ells tenen limitacions com la baixa densitat energètica, l'alt cost, la vida útil curta o l'impacte ambiental. Per tant, cal una nova generació de dispositius d'emmagatzematge d'energia que puguin superar aquests reptes i satisfer la demanda creixent d'energia neta i sostenible.

Un dels candidats més prometedors per a aquest paper és el bateria de flux. Una bateria de flux és a tipus de bateria solar que utilitza electròlits líquids emmagatzemats en dipòsits externs per emmagatzemar i alliberar energia. A diferència de les bateries convencionals, que tenen quantitats fixes d'energia i potència, les bateries de flux poden desacoblar aquests dos paràmetres ajustant la mida dels dipòsits i el cabal dels electròlits.

Això dóna a les bateries de flux diversos avantatges respecte a altres tecnologies d'emmagatzematge d'energia, com ara:

  • Alta capacitat d'energia i llarga durada: les bateries de flux poden emmagatzemar grans quantitats d'energia durant llargs períodes de temps, fent-les adequades per a aplicacions que requereixen temps de descàrrega llargs, com ara l'afaitat màxim, l'anivellament de càrrega o l'energia de reserva.
  • Escalabilitat i modularitat: les bateries de flux poden augmentar o reduir fàcilment afegint o eliminant dipòsits i mòduls, cosa que els permet adaptar-se a diferents requeriments de potència i energia.
  • Llarga vida útil i baix manteniment: les bateries de flux tenen una degradació mínima i poden funcionar durant milers de cicles sense perdre rendiment, reduint la necessitat de substitucions o renovacions freqüents.
  • Seguretat i respecte al medi ambient: les bateries de flux utilitzen electròlits no inflamables i no tòxics que representen un risc mínim d'incendi, explosió o fuites, cosa que les fa més segures i respectuoses amb el medi ambient que altres bateries.

En aquest bloc, explorarem els diferents tipus, aplicacions i reptes de les bateries de flux, i els compararem amb la tecnologia d'emmagatzematge d'energia més utilitzada, la bateria d'ions de liti. També parlarem del disseny i l'optimització de les bateries de flux, i la seva seguretat i impacte ambiental. Al final d'aquest bloc, tindreu una comprensió completa de les bateries de flux i per què són el futur de l'emmagatzematge d'energia.

Tipus de bateries de flux

Les bateries de flux es poden classificar en diferents tipus segons la química i la configuració dels seus electròlits. Els tipus més comuns de bateries de flux són:

  • Bateries de flux de vanadi (VFB): Els VFB utilitzen ions de vanadi en diferents estats d'oxidació com a espècies actives tant en electròlits positius com negatius. Això elimina el risc de contaminació creuada i assegura una alta eficiència coulombica. Els VFB tenen una alta densitat d'energia, un cicle de vida llarg i una bona estabilitat, però també tenen un cost elevat, una densitat de potència baixa i un rang de temperatura limitat.
  • Bateries de flux de zinc-brom (ZBB): Els ZBB utilitzen zinc i brom com a espècies actives en els electròlits negatius i positius, respectivament. Els ZBB tenen una alta densitat d'energia i potència, un baix cost i un ampli rang de temperatures, però també tenen una baixa eficiència coulombica, una alta autodescàrrega i una alta toxicitat. Els ZBB també requereixen una regeneració periòdica d'elèctrodes per evitar la formació de dendrites de zinc i l'esgotament del brom.
  • Bateries de flux orgànic (OFB): Els OFB utilitzen molècules orgàniques, com les quinones o els ferrocens, com a espècie activa en els electròlits. Els OFB tenen un cost baix, una gran abundància i una alta sintonització, però també tenen baixa densitat d'energia, baixa estabilitat i baixa solubilitat. Els OFB també s'enfronten a reptes com ara la síntesi complexa, la degradació i l'encreuament.
  • Altres bateries de flux emergents: També hi ha altres tipus de bateries de flux que s'estan desenvolupant, com ara bateries d'hidrogen-brom, ferro-crom, ferro-aire i bateries de flux total de ferro. Aquestes bateries de flux tenen com a objectiu millorar el rendiment, el cost i la sostenibilitat de les bateries de flux mitjançant l'ús de nous materials i mecanismes.

Cada tipus de bateria de flux té els seus propis avantatges i desavantatges, i l'elecció de la millor bateria de flux depèn de l'aplicació i l'escenari específics. A la següent secció, explorarem algunes de les aplicacions potencials de les bateries de flux i com poden beneficiar diferents sectors i usuaris.

Aplicacions de les bateries de flux

Les bateries de flux tenen una àmplia gamma d'aplicacions en diferents sectors i escenaris, com ara:

  • Serveis públics i emmagatzematge d'energia a escala de xarxa: Les bateries de flux poden proporcionar diversos serveis a la xarxa, com ara regulació de freqüència, suport de tensió, reserva de rotació, arrencada en negre i alleujament de la congestió. Les bateries de flux també poden permetre la integració de fonts d'energia renovables intermitents, com l'eòlica i la solar, suavitzant les seves fluctuacions i emmagatzemant l'excés d'energia. Les bateries de flux també poden reduir la demanda punta i reduir els costos d'electricitat tant per als serveis públics com per als consumidors.
  • Microxarxes i integració d'energies renovables: Les microxarxes són sistemes elèctrics a petita escala que poden funcionar de manera independent o en coordinació amb la xarxa principal. Les microxarxes poden proporcionar un subministrament d'energia fiable i resistent a zones remotes, instal·lacions crítiques o comunitats. Les bateries de flux poden millorar el rendiment i l'estabilitat de les microxarxes proporcionant energia de reserva, desplaçament de càrrega i integració d'energies renovables. Les bateries de flux també poden reduir la dependència dels generadors dièsel i dels combustibles fòssils, i reduir la petjada de carboni de les microxarxes.
  • Vehicles elèctrics i transport: Les bateries de flux poden alimentar vehicles elèctrics i altres modes de transport, com ara autobusos, trens, vaixells i avions. Les bateries Flow poden oferir una llarga autonomia, un reabastament ràpid i una alta seguretat per als vehicles elèctrics. Les bateries de flux també poden reduir el pes i el volum del paquet de bateries i allargar la vida útil del vehicle. Les bateries de flux també poden habilitar el concepte vehicle-to-grid (V2G), on els vehicles elèctrics poden subministrar energia a la xarxa o altres càrregues quan estan aparcats o inactius.
  • Altres aplicacions potencials: Les bateries de flux també es poden utilitzar per a altres finalitats, com ara la millora de la qualitat de l'energia, la font d'alimentació ininterrompuda (UPS), l'exèrcit i la defensa, l'exploració espacial i l'educació i la investigació. Les bateries de flux també es poden combinar amb altres tecnologies d'emmagatzematge d'energia, com ara supercondensadors, volants, O emmagatzematge tèrmic, per crear sistemes híbrids d'emmagatzematge d'energia que puguin optimitzar el rendiment i el cost de l'emmagatzematge d'energia.

Les bateries de flux tenen molts avantatges i oportunitats per a diferents aplicacions, però també s'enfronten a alguns reptes i competència d'altres tecnologies d'emmagatzematge d'energia. A la següent secció, compararem les bateries de flux amb la tecnologia d'emmagatzematge d'energia més utilitzada, la bateria d'ions de liti, i veurem com es diferencien en diversos aspectes.

Bateries de flux versus bateries d'ions de liti

Les bateries d'ions de liti són la tecnologia d'emmagatzematge d'energia dominant al mercat, ja que s'utilitzen àmpliament en electrònica de consum, vehicles elèctrics i emmagatzematge d'energia a escala de xarxa. Bateries d’ions de liti tenen una alta densitat d'energia i potència, alta eficiència i baixa autodescàrrega, però també tenen un cost elevat, una vida útil limitada, problemes de seguretat i impacte ambiental.

Les bateries de flux i les bateries d'ions de liti tenen diferents punts forts i febles, i la seva comparació depèn de l'aplicació i l'escenari específics. Aquests són alguns dels aspectes principals que cal tenir en compte a l'hora de comparar les bateries de flux i les de ions de liti:

  • Rendiment: Les bateries de flux tenen una menor energia i densitat de potència que les bateries d'ions de liti, el que significa que necessiten més espai i pes per emmagatzemar la mateixa quantitat d'energia i potència. Tanmateix, les bateries de flux tenen una capacitat d'energia més gran i una durada més llarga que les bateries d'ions de liti, el que significa que poden emmagatzemar i lliurar més energia durant períodes de temps més llargs, més adequades per a emmagatzematge d'energia a llarg termini. Les bateries de flux també tenen una eficiència coulombica més alta i una autodescàrrega més baixa que les bateries d'ions de liti, el que significa que poden retenir més energia emmagatzemada i perdre menys energia amb el temps.
  • Eficiència i cost: Les bateries de flux tenen una menor eficiència d'anada i tornada que les bateries d'ions de liti, el que significa que perden més energia durant els cicles de càrrega i descàrrega. No obstant això, les bateries de flux tenen un cost d'energia anivellat (LCOE) més baix que les bateries d'ions de liti, el que significa que tenen un cost total més baix per unitat d'energia subministrada al llarg de la seva vida útil. Les bateries de flux també tenen un cost de capital i un cost operatiu més baixos que les bateries d'ions de liti, ja que tenen materials, components i manteniment més senzills i econòmics.
  • Vida i degradació: Les bateries de flux tenen una vida útil i una vida natural més llarga que les bateries d'ió de liti, el que significa que poden funcionar durant més cicles i anys sense perdre rendiment. Les bateries de flux també tenen una degradació mínima i una capacitat d'esvaïment que les bateries d'ions de liti, ja que no pateixen problemes com ara el revestiment de liti, la formació d'interfase d'electròlit sòlid (SEI) o el creixement de dendrites. Les bateries de flux també tenen una capacitat de reciclatge i reutilització més alta que les bateries d'ions de liti, ja que es poden renovar o reutilitzar fàcilment substituint o reposant els electròlits.
  • Seguretat i impacte ambiental: Les bateries de flux tenen una seguretat més alta i respectuoses amb el medi ambient que les bateries d'ions de liti, ja que utilitzen electròlits no inflamables i no tòxics que representen un risc mínim d'incendi, explosió o fuites. Les bateries de flux també tenen menors emissions de gasos d'efecte hivernacle i consum d'aigua que les bateries d'ions de liti, ja que no requereixen processos d'alta temperatura o alta pressió per a la seva fabricació o funcionament. Les bateries de flux també tenen una menor dependència dels materials escassos i crítics que les bateries d'ions de liti, com el cobalt, el níquel o el liti, que estan subjectes a problemes geopolítics i ètics.

Les bateries de flux i les bateries d'ions de liti tenen diferents pros i contres, i la millor opció depèn de l'aplicació i l'escenari específics. Les bateries de flux són més adequades per a aplicacions que requereixen una gran capacitat energètica, llarga durada, llarga vida útil, baix cost i alta seguretat, com ara l'emmagatzematge d'energia a escala de xarxa, microxarxes o energia de reserva. Les bateries d'ió de liti són més adequades per a aplicacions que requereixen una alta densitat d'energia i potència, una alta eficiència i un pes i un volum baix, com ara l'electrònica de consum, els vehicles elèctrics o la millora de la qualitat de l'energia.

Les bateries de flux i les bateries d'ions de liti no s'exclouen mútuament, sinó que es complementen, ja que poden treballar juntes per crear sistemes híbrids d'emmagatzematge d'energia que puguin optimitzar el rendiment i el cost de emmagatzematge d'energia.

Disseny i optimització de la bateria de flux

El disseny i optimització de la bateria de flux és un procés complex i multidisciplinari que implica diversos aspectes, com ara:

  • Components i materials clau d'una bateria de flux: Una bateria de flux consta de quatre components principals: els dipòsits d'electròlits, les bombes, el convertidor de potència i la pila de cèl·lules. La pila de cèl·lules és el component bàsic d'una bateria de flux, ja que és on tenen lloc les reaccions electroquímiques. La pila de cèl·lules consta de diversos subcomponents, com ara els elèctrodes, la membrana, les plaques bipolars i els col·lectors de corrent. L'elecció dels materials i el disseny d'aquests components afecten el rendiment, el cost i la vida útil d'una bateria de flux.
  • Factors que afecten el rendiment i la vida útil d'una bateria de flux: El rendiment i la vida útil d'una bateria de flux depenen de molts factors, com ara la química, la concentració, el cabal, la temperatura, la pressió, l'estat de càrrega i les condicions de cicle dels electròlits. Aquests factors influeixen en els paràmetres clau d'una bateria de flux, com ara la tensió de circuit obert, la resistència interna, el sobrepotencial, la polarització, el corrent de derivació, el creuament, l'esvaïment de la capacitat i la degradació. Aquests paràmetres determinen l'energia i la densitat de potència, l'eficiència, l'eficiència coulombica, l'autodescàrrega i la vida útil d'una bateria de flux.
  • Mètodes i eines per dissenyar i optimitzar una bateria de flux: Hi ha diversos mètodes i eines per dissenyar i optimitzar una bateria de flux, com ara el modelatge matemàtic, la simulació numèrica, les proves experimentals i l'aprenentatge automàtic. Aquests mètodes i eines poden ajudar a comprendre els fenòmens físics i químics, predir el comportament i el rendiment, avaluar els compromisos i sensibilitats i optimitzar els paràmetres i configuracions d'una bateria de flux. Aquests mètodes i eines també poden ajudar a identificar i resoldre els reptes i colls d'ampolla d'una bateria de flux, com ara el transport de massa, la cinètica, les pèrdues òhmiques, les reaccions secundaries i els mecanismes de degradació.

El disseny i l'optimització de la bateria de flux és un procés desafiant i continu que requereix col·laboració i innovació de diferents disciplines i parts interessades.

Seguretat de la bateria de flux i impacte ambiental

La seguretat de les bateries de flux i l'impacte ambiental són aspectes importants a tenir en compte a l'hora d'avaluar la viabilitat i la sostenibilitat de les bateries de flux, ja que poden afectar l'acceptació social i el compliment normatiu de les bateries de flux. Les bateries de flux tenen diversos avantatges i reptes en termes de seguretat i impacte ambiental, com ara:

  • Riscos potencials i riscos de les bateries de flux: Les bateries de flux tenen menors perills i riscos potencials que altres bateries, ja que utilitzen electròlits no inflamables i no tòxics que representen un risc mínim d'incendi, explosió o fuites. Tanmateix, les bateries de flux encara tenen alguns perills i riscos potencials, com ara la corrosió, el vessament d'electròlits, la inhalació d'electròlits, la ingestió d'electròlits i el contacte d'electròlits. Aquests perills i riscos poden causar danys als equips, al medi ambient i a la salut dels operadors i del públic. Per tant, les bateries de flux han de disposar de mesures i protocols de seguretat adequats, com ara la contenció, la ventilació, l'aïllament, la vigilància i la resposta a emergències.
  • Bones pràctiques i estàndards per al funcionament i manteniment de la bateria de flux: Les bateries de flux han de seguir les millors pràctiques i estàndards per al funcionament i el manteniment de les bateries de flux, com ara la instal·lació, la posada en marxa, la inspecció, les proves, el calibratge, la neteja, la reparació i la desactivació. Aquestes pràctiques i estàndards poden ajudar a garantir la seguretat, la fiabilitat i l'eficiència de les bateries de flux, i prevenir o mitigar els perills potencials i els riscos de les bateries de flux. Aquestes pràctiques i estàndards també poden ajudar a complir amb les regulacions i codis rellevants, com ara els reglaments i codis elèctrics, mecànics, químics i ambientals.
  • Beneficis ambientals i reptes de les bateries de flux: Les bateries de flux tenen importants beneficis ambientals, ja que poden reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle, el consum d'aigua i la generació de residus del sistema elèctric, permetent la integració de fonts d'energia renovables, reduint la demanda punta i millorant l'estabilitat de la xarxa. Les bateries de flux també poden reduir la dependència de materials escassos i crítics, com el cobalt, el níquel o el liti, que estan subjectes a problemes geopolítics i ètics. Tanmateix, les bateries de flux també tenen alguns reptes ambientals, com ara l'avaluació del cicle de vida, la disponibilitat de recursos, el reciclatge de materials i l'eliminació de residus. Aquests reptes poden afectar la petjada ambiental i la sostenibilitat de les bateries de flux.

La seguretat de les bateries de flux i l'impacte ambiental són aspectes crucials a tenir en compte a l'hora de desenvolupar i desplegar bateries de flux, ja que poden afectar la viabilitat tècnica, econòmica i social de les bateries de flux. Les bateries de flux tenen un gran potencial per millorar la seguretat i l'impacte ambiental del sistema elèctric, però també han de superar alguns reptes i barreres. En la següent secció, conclourem aquest bloc i oferirem algunes recomanacions i suggeriments per a una lectura posterior.

Conclusió

En aquest bloc hem conegut les bateries de flux, un tipus de bateries recarregables que utilitza electròlits líquids emmagatzemats en dipòsits externs per emmagatzemar i alliberar energia. Hem explorat els diferents tipus, aplicacions i reptes de les bateries de flux, i els hem comparat amb la tecnologia d'emmagatzematge d'energia més utilitzada, la bateria d'ions de liti. També hem parlat del disseny i l'optimització de les bateries de flux, i la seva seguretat i impacte ambiental.

Hem vist que les bateries de flux tenen molts avantatges respecte a altres tecnologies d'emmagatzematge d'energia, com ara una gran capacitat d'energia, llarga durada, llarga vida útil, baix cost i alta seguretat. Les bateries de flux també poden permetre la integració de fonts d'energia renovables, reduir la demanda màxima i millorar l'estabilitat de la xarxa. Les bateries de flux també poden reduir la dependència dels materials escassos i crítics, i reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i el consum d'aigua del sistema elèctric.

Tanmateix, les bateries de flux també s'enfronten a alguns reptes i barreres, com ara una baixa densitat d'energia i potència, baixa eficiència d'anada i tornada, baixa estabilitat i solubilitat i síntesi i degradació complexes dels electròlits. Les bateries de flux també han de superar alguns obstacles tècnics, econòmics i socials, com ara l'optimització del rendiment i la vida útil, la disponibilitat i reciclatge de recursos, l'eliminació i gestió de residus i l'acceptació normativa i social.

Les bateries de flux són una tecnologia d'emmagatzematge d'energia prometedora i emergent que pot contribuir a un futur més verd i net. No obstant això, les bateries de flux encara necessiten més investigació i desenvolupament, innovació i col·laboració, i educació i conscienciació per realitzar tot el seu potencial i superar les seves limitacions.

Com funcionen les bateries de plom àcid i per què les hauríeu de triar per al vostre sistema d'emmagatzematge d'energia

Com funcionen les bateries de plom àcid i per què les hauríeu de triar per al vostre sistema d'emmagatzematge d'energia

Tot el que necessites saber sobre les bateries d'ions de liti

Tot el que necessites saber sobre les bateries d'ions de liti

Contingut buit. Seleccioneu l'article per previsualitzar-lo

Aconsegueix la teva solució gratuïta

Per al teu projecte

Podem personalitzar la vostra pròpia solució de forma gratuïta

contacti'ns