¿Una batería líquida lo bastante grande para la red eléctrica?

David L. Chandler
mit.edu / Ciencia Kanija
30/11/09

El Profesor Donald Sadoway y el estudiante graduado David Bradwell observan una de sus pequeñas baterías de prueba en el laboratorio. La propia batería está dentro del cilindro metálico altamente aislado del centro, el cual la calienta a 700 grados Celsius, mientras que los cables de arriba cargan la batería y miden su rendimiento.

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La investigación del Profesor Donald Sadoway sobre almacenamiento de energía podría acelerar el desarrollo de las energías renovables.

Hay un gran obstáculo para la mayor parte de fuentes de energía renovables propuestas: su variabilidad. El Sol no brilla de noche, el viento no siempre sopla, y las mareas, olas y corrientes, fluctúan. Por esta razón muchos investigadores han estado buscando formas de almacenar la energía generada por estas fuentes de forma que puedan usarse cuando sea necesario.

Hasta el momento, esas soluciones han tendido a ser demasiado caras, limitadas a sólo ciertas áreas, o difíciles de escalar suficientemente para atender a la demanda. Muchos grupos de investigación luchan por superar estas limitaciones, pero el Profesor del MIT Donald Sadoway ha logrado una innovadora aproximación que ha despertado un interés significativo — y algunos grandes patrocinios.

La idea es construir un tipo de batería completamente nuevo, cuyos componentes clave se mantengan a una temperatura tan alta que permanecerían en forma completamente líquida. Los dispositivos experimentales actualmente en proceso de pruebas en el laboratorio de Sadoway funcionan de una forma como nunca antes se ha intentado anteriormente con las baterías.

Este mes, la recientemente establecida agencia federal ARPA-E (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada – Energía) anunció sus primeras 37 becas de investigación de energía sobre un grupo de 3600 solicitantes, y el proyecto de Sadoway para desarrollar baterías a pequeña escala recibió una de las mayores sumas — casi 7 millones de dólares a lo largo de cinco años. Y pocos días después del anuncio de ARPA-E, lo compañía petrolera fracesa Total - la quinta mayor del mundo — anunció una empresa conjunta de 4 millones de dólares y cinco años con el MIT para desarrollar una versión a menor escala de la misma tecnología, adecuada para su uso en hogares individuales y otros edificios.

Debido a que la tecnología está siendo patentada y podría llevar a una comercialización a gran escala, Sadoway no discutirá los detalles de los materiales que están siendo usados. Pero tanto Sadoway como ARPA-E dicen que la batería está basada en metales líquidos de bajo coste disponibles en el hogar que tienen el potencial de disminuir la barrera de coste del almacenamiento de energía a gran escala como parte de la red eléctrica nacional. Al anunciar su patrocinio del trabajo de Sadoway, ARPA-E dijo que la tecnología de esta batería “podría revolucionar la forma en que se usa y produce la electricidad en la red, permitiendo energía las 24 horas desde recursos eólicos y solares de Estados Unidos, incrementando la estabilidad de la red y haciendo que los apagones sean cosa del pasado”.

Andrew Chung, director de Lightspeed Venture Partners en Menlo Park, California, que no tiene participación de capital en el proyecto de Sadoway en este momento, dice que “el almacenamiento a escala de red es un área que va a ser explotada en la próxima década más o menos”, y esta compañía la sigue de cerca. La idea de la batería líquida de que Sadoway está desarrollando “es una apasionante aproximación a la resolución del problema”, comenta.

Lo grande es bonito

La mayor parte de investigación en baterías, dice Sadoway, ha estado enfocada en mejorar en almacenamiento de sistemas móviles o portátiles tales como teléfonos celulares, ordenadores y coches. Los requisitos para tales sistemas, incluyendo muy bajo peso y alta seguridad, son muy distintos de las necesidades de un sistema de baterías en una localización fija a nivel de red. “Lo que hicimos fue ignorar por completo la tecnología convencional usada para la energía portátil”, dice. El distinto conjunto de requerimientos para los sistemas estacionarios “abre todo un nuevo campo de posibilidades”.

Un sistema grande a nivel empresarial “no tiene que resistir un impacto; no tiene que ser ‘a prueba de idiotas’ debido a que no estará en manos del consumidor”. Y aunque los consumidores están dispuestos a pagar altos precios, kilo por kilo, por las pequeñas baterías usadas en dispositivos portátiles de alto valor, la mayor restricción en los sistemas a escala de red es el coste. Para competir con los sistemas actuales de energía de combustible fósil, dice, “tienen que ser baratos de construir, baratos de mantener, durar mucho tiempo con un mantenimiento mínimo, y almacenar enormes cantidades de energía”.

Y por tanto las nuevas baterías líquidas que Sadoway y su equipo, incluyendo al estudiante graduado David Bradwell, están diseñando usan materiales abundantes de bajo coste. El principio básico es colocar tres capas de líquido dentro de un contenedor: Dos aleaciones de metal diferentes, y una capa de una sal. Los tres materiales son elegidos de forma que tengan distintas densidades que les permitan separarse de forma natural en tres capas distintas, con la sal en el centro separando las dos capas de metal —como un dispensador de bebidas con distintas capas.

La energía se almacena en los metales líquidos que quieren reaccionar entre sí pero sólo pueden hacerlo transfiriendo iones — átomos eléctricamente cargados de uno de los metales — a través del electrolito, el cual da como resultado un flujo de corriente eléctrica hacia fuera de la batería. Cuando se está cargando la batería, algunos de los iones migran a través de la capa de sal aislante para recolectarlos en uno de los terminales. Más tarde, cuando se está extrayendo energía de la batería, esos iones migran de vuelta a la sal y se reunen en el terminal opuesto.

Todo el dispositivo se mantiene a una alta temperatura, alrededor de 700 grados Celsius, de forma que las capas se mantengan fundidas. En los pequeños dispositivos que se están probando en el laboratorio, para mantener esta temperatura se requiere de un calentador externo, pero Sadoway dice que en la versión definitiva, la corriente eléctrica que se bombea dentro y fuera de la batería será suficiente para mantener esa temperatura sin una fuente de calor externa.

Aunque algunas tecnologías de baterías anteriores han usado un componente de metal líquido, este es el primer diseño de un sistema de baterías totalmente líquido, comenta Sadoway. “Los componentes sólidos en las baterías son badenes en la carretera. Cuando quieres una corriente ultra-alta, no quieres que haya nada sólido”.

Inspiración del aluminio

La inspiración inicial para la idea procede de pensar en una tecnología muy distinta, dice Sadoway: uno de los mayores usuarios de energía eléctrica, las plantas de fusión de aluminio. Sadoway se dio cuenta de que este era uno de los pocos ejemplos existentes de un sistema que podría mantener niveles extremadamente altos de corriente eléctrica a lo largo de un periodo de varios años de tiempo. “Es un proceso electroquímico que se realiza a altas temperaturas, y a una corriente de cientos de miles de amperios”, dice. En cierto sentido, el nuevo concepto es como una planta de aluminio funcionando a la inversa, produciendo energía en lugar de consumiéndola.

Chung dice que desde el punto de vista de una empresa capitalista, la investigación es particularmente intrigante por distintas razones. No sólo ofrece el potencial de disminuir considerablemente el coste e incrementar el ciclo de vida [el número de veces que puede cargarse y descargarse] del almacenamiento de electricidad a gran escala, sino también sugiere que el riesgo normalmente asociado con una etapa inicial en un proyecto de investigación puede ser menor dado que el sistema ya ostenta décadas de experiencia en el diseño y operación de las instalaciones de producción de aluminio. “Esto nos da una confianza añadida de que algunos de los objetivos sobre coste, escalabilidad y seguridad tienen su mérito”, dice.

El equipo está probando ahora un número de diferentes variaciones de la composición exacta de los materiales en las tres capas, y del diseño global del dispositivo. Sadoway dice que gracias al patrocinio inicial a través del Centro Deshpande y la Fundación Familia Chesonis, él y su equipo fueron capaces de desarrollar la idea hasta el punto de demostrar una maqueta a escala de laboratorio. Esto, a su vez, hizo posible lograr las grandes becas para desarrollar la posterior tecnología.

“Éste es un ejemplo de trabajo que surge de la ciencia básica, fue desarrollada a una escala de piloto, y ahora está siendo escalada para tener un impacto real de transformación en el mundo”, dice Ernest Moniz, director de la Iniciativa de Energía del MIT.

Las pruebas de laboratorio han proporcionado “algunas medidas de confianza”, dice Sadoway. Pero se necesitarán muchas más pruebas para “demostrar que la idea es escalable a tamaño industrial, con un coste competitivo”. Pero aunque está muy confiado en que funcionará, hay una gran cantidad de incertidumbres, comenta, incluyendo cómo diseñar y construir los contenedores necesarios, sistemas de control eléctrico y conexiones.

“Estamos hablando de baterías de un tamaño nunca visto antes”, dice. Y el sistema que desarrollen tiene que incluir todo, incluyendo sistemas de control y electrónica de carga a una escala sin precedentes.

Para Sadoway, el proyecto merece la pena a pesar de sus desalentadores retos, debido a que el potencial impacto es enorme. “No hago esto porque quiera otra publicación en una revista”, dice Sadoway. “Es por hacer algo diferente… Es una oportunidad de inventar nuestra solución al problema de la energía”.