Ciencia al descubierto
Ciencia al descubierto
Baterías de flujo y celdas de combustible
Baterías de flujo y celdas de combustible
Proyecto liderado por el INEEL que busca explorar nuevos conceptos de baterías de flujo y celdas
de combustible, basadas en materiales potencialmente más baratos para electrolitos, membranas y
catalizadores.
Proyecto liderado por el INEEL que busca explorar nuevos conceptos de baterías de flujo y celdas
de combustible, basadas en materiales potencialmente más baratos para electrolitos, membranas y
catalizadores.
Resumen
Resumen
Este proyecto responde a la convocatoria del "Fondo
Sectorial CONACYT-SENER/Sustentabilidad Energética" que
busca explorar nuevos conceptos de baterías de flujo y
celdas de combustible basadas en materiales potencialmente
más baratos para electrolitos, membranas y catalizadores.
La utilización de materiales de menor costo en
baterías de flujo y celdas de combustible permitirá que
estos desarrollos sean competitivos con las tecnologías
actuales de almacenamiento de energía para aplicaciones
en la red eléctrica nacional, como son las baterías de iones
de litio, las baterías de flujo redox de vanadio o las celdas
de combustible tipo PEM.
Objetivo
Objetivo
El objetivo final de este proyecto es realizar prototipos de
celdas de combustible (1 kW) y baterías de flujo (20 kW)
que presenten una alta eficiencia y una buena durabilidad
a bajo costo. Estos prototipos serán probados con un sistema
de interconexión eléctrica y sistemas de control para
operar en combinación con una red eléctrica. Se realizará un
importante esfuerzo de ingeniería para probar los prototipos
interconectados con una micro red y lograr validar su operación,
así como los criterios de balance de planta, mecánicos
y eléctricos, de los sistemas diseñados. Se incluirá un
esfuerzo de modelado para garantizar el diseño de celdas de
combustible y baterías de flujo con una eficiencia de conversión
óptima, y para modelar fenómenos físico-químicos en
las plantas prototipo. Los desarrollos se verán respaldados
por los modelados de costos y aplicaciones que garanticen
que los prototipos sean competitivos y posean características
técnicas relevantes para las aplicaciones de almacenamiento
en el contexto de la Red Eléctrica Nacional.
El reto de México
El reto de México
El reto de México en materia de energías limpias y sus
compromisos para reducir el impacto del cambio climático,
han dado lugar a una creciente penetración de generación intermitente de energías renovables que, para ser
mejor aprovechadas, requieren la integración de grandes
capacidades de almacenamiento de energía con el objeto
de equilibrar el suministro eléctrico, atender picos de la
demanda de energía y para mantener la estabilidad de la
red. Como consecuencia, se espera que la necesidad de
almacenamiento de energía a gran escala crezca exponencialmente
durante la próxima década. Con respecto a las
tecnologías electroquímicas, las baterías de iones de litio
son la referencia tecnológica en la actualidad, aunque los
precios de las baterías basadas en litio siguen siendo aún
demasiado altos y sus tiempos de descarga son muy cortos
para aplicaciones que permitan lograr una integración
más amplia y un mejor aprovechamiento de las energías
renovables.
"Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y fuerza a la tecnología mexicana."
"Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y fuerza a la tecnología mexicana."
Las baterías de flujo y las celdas de combustible
Las baterías de flujo y las celdas de combustible
Estas tecnologías se han formulado con el potencial de
proporcionar almacenamiento de energía de larga duración
(mayor a cuatro horas) y a bajo costo.
Una batería de flujo es un tipo de sistema de almacenamiento electroquímico en el que los materiales activos redox están disueltos en líquidos. Los electrolitos cargados positiva y negativamente se almacenan en tanques separados para, posteriormente, ser llevados a un reactor electroquímico (celda) que consta de arreglos de electrodos separados por una membrana semipermeable. La tecnología de baterías de flujo hoy en día tiene como referente más conocido la química todo-vanadio. Este tipo de baterías han demostrado la factibilidad técnica de descargas largas de energía, pero se basan en materiales electrolíticos costosos, lo que hace incierto si serán económicamente competitivas para las aplicaciones de almacenamiento a escala de red.
Una celda de combustible es un dispositivo que utiliza el hidrógeno como fuente para generar electricidad. Las celdas de combustible están concebidas para almacenar energía a gran escala cuando se combinan con electrolizadores que convierten el exceso de la energía renovable (solar, hidráulica o eólica) en hidrógeno. En las celdas de combustible, las reacciones electroquímicas tienen lugar en el denominado ensamble membrana electrodo, que consiste en una membrana de intercambio iónico dopada con un catalizador para las reacciones de oxidación de hidrógeno y de reducción de oxígeno. Tradicionalmente, las celdas de combustible usan una membrana de intercambio de protones (PEM) que tienen platino metálico como catalizador. A pesar de la madurez tecnológica de la celda de combustible basada en PEM, el uso de catalizadores de platino, prohibitivamente caros, dificulta la competencia con las tecnologías de almacenamiento de energía predominantes, como las baterías de iones de litio.
Este programa reunirá a expertos de diversas instituciones dentro y fuera del país que se concentrarán en los tres desarrollos tecnológicos siguientes:
Baterías de flujo basadas en electrodiálisis: en este concepto, la energía se almacena mediante la disociación de soluciones de electrolitos salinos simples en sus correspondientes soluciones ácido y base por medio de membranas de intercambio iónico de alto rendimiento. La principal innovación en este concepto no se centrará en las soluciones de electrolitos, sino en el desarrollo de membranas de intercambio iónico de bajo costo, baja resistencia y alta durabilidad. Este desarrollo se llevará hasta un prototipo de 20 kW de potencia.
Baterías de flujo basadas en materiales orgánicos redox activos: esta tecnología busca evitar el empleo de metales caros, como el vanadio, y se centra en la identificación de compuestos orgánicos redox activos adecuados. Con base en cálculos químicos cuánticos de alto rendimiento, se sintetizará y evaluará una selección de moléculas orgánicas para su uso en baterías de flujo.
Celdas de combustible basadas en membranas de intercambio iónico alcalinas: cuando se realiza la oxidación de hidrógeno y la reacción de reducción de oxígeno en un ambiente alcalino, se puede usar una amplia gama de catalizadores metálicos de bajo costo (incluyendo níquel, hierro, cobre, cobalto y plata) que reemplazarían al platino. Las principales innovaciones de este concepto incluyen el desarrollo de membranas de intercambio iónico alcalinas robustas, en combinación con catalizadores duraderos de bajo costo.
Una batería de flujo es un tipo de sistema de almacenamiento electroquímico en el que los materiales activos redox están disueltos en líquidos. Los electrolitos cargados positiva y negativamente se almacenan en tanques separados para, posteriormente, ser llevados a un reactor electroquímico (celda) que consta de arreglos de electrodos separados por una membrana semipermeable. La tecnología de baterías de flujo hoy en día tiene como referente más conocido la química todo-vanadio. Este tipo de baterías han demostrado la factibilidad técnica de descargas largas de energía, pero se basan en materiales electrolíticos costosos, lo que hace incierto si serán económicamente competitivas para las aplicaciones de almacenamiento a escala de red.
Una celda de combustible es un dispositivo que utiliza el hidrógeno como fuente para generar electricidad. Las celdas de combustible están concebidas para almacenar energía a gran escala cuando se combinan con electrolizadores que convierten el exceso de la energía renovable (solar, hidráulica o eólica) en hidrógeno. En las celdas de combustible, las reacciones electroquímicas tienen lugar en el denominado ensamble membrana electrodo, que consiste en una membrana de intercambio iónico dopada con un catalizador para las reacciones de oxidación de hidrógeno y de reducción de oxígeno. Tradicionalmente, las celdas de combustible usan una membrana de intercambio de protones (PEM) que tienen platino metálico como catalizador. A pesar de la madurez tecnológica de la celda de combustible basada en PEM, el uso de catalizadores de platino, prohibitivamente caros, dificulta la competencia con las tecnologías de almacenamiento de energía predominantes, como las baterías de iones de litio.
Este programa reunirá a expertos de diversas instituciones dentro y fuera del país que se concentrarán en los tres desarrollos tecnológicos siguientes:
Baterías de flujo basadas en electrodiálisis: en este concepto, la energía se almacena mediante la disociación de soluciones de electrolitos salinos simples en sus correspondientes soluciones ácido y base por medio de membranas de intercambio iónico de alto rendimiento. La principal innovación en este concepto no se centrará en las soluciones de electrolitos, sino en el desarrollo de membranas de intercambio iónico de bajo costo, baja resistencia y alta durabilidad. Este desarrollo se llevará hasta un prototipo de 20 kW de potencia.
Baterías de flujo basadas en materiales orgánicos redox activos: esta tecnología busca evitar el empleo de metales caros, como el vanadio, y se centra en la identificación de compuestos orgánicos redox activos adecuados. Con base en cálculos químicos cuánticos de alto rendimiento, se sintetizará y evaluará una selección de moléculas orgánicas para su uso en baterías de flujo.
Celdas de combustible basadas en membranas de intercambio iónico alcalinas: cuando se realiza la oxidación de hidrógeno y la reacción de reducción de oxígeno en un ambiente alcalino, se puede usar una amplia gama de catalizadores metálicos de bajo costo (incluyendo níquel, hierro, cobre, cobalto y plata) que reemplazarían al platino. Las principales innovaciones de este concepto incluyen el desarrollo de membranas de intercambio iónico alcalinas robustas, en combinación con catalizadores duraderos de bajo costo.
Proyecto liderado por el INEEL
Proyecto liderado por el INEEL
El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
(INEEL) es la institución líder para el desarrollo de ambas
tecnologías y programas de investigación, ya que cuenta
con personal de más de 40 años de experiencia en investigación,
innovación aplicada y desarrollo tecnológico.
Se cuenta también con un consorcio que está formado por universidades, institutos nacionales y colaboradores industriales, además, con respaldo de fabricantes líderes para el desarrollo de las membranas.
Se cuenta también con un consorcio que está formado por universidades, institutos nacionales y colaboradores industriales, además, con respaldo de fabricantes líderes para el desarrollo de las membranas.
Conclusiones
Conclusiones
La diversidad de las instituciones involucradas y el liderazgo
del INEEL, aseguran la realización de los programas
integrales de investigación de baterías de flujo y celdas de
combustible, que incluyen química fundamental (cálculos
y síntesis), pruebas de sistemas electroquímicos (escala
pequeña y piloto), optimización de componentes (en particular
membranas de intercambio iónico), desarrollo de
catalizadores, modelado electroquímico de conjuntos de
celdas, realización de prototipos de sistemas electroquímicos,
integración de sistemas electroquímicos con la red y
fabricación de sistemas electroquímicos.
El impacto de este proyecto será:
Generación de una importante propiedad intelectual, tanto en términos de publicaciones académicas como en patentes.
Colaboración entre las instituciones nacionales de investigación, así como sólidos contactos entre México y líderes internacionales de la industria.
Capacitación de científicos e ingenieros mexicanos en la vanguardia de la investigación sobre almacenamiento de energía.
La propiedad intelectual y los recursos humanos creados posicionarán a México en un buen lugar para desarrollar una industria nacional de almacenamiento de energía con un impacto internacional.
Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y presencia a la tecnología mexicana, para que la inversión privada impulse los desarrollos en estos campos y con ello se establezcan nuevas industrias y se generen los empleos que crearán riqueza, bienestar, protección al ambiente, así como el éxito del almacenamiento de energía limpia en nuestro país.
El impacto de este proyecto será:
Generación de una importante propiedad intelectual, tanto en términos de publicaciones académicas como en patentes.
Colaboración entre las instituciones nacionales de investigación, así como sólidos contactos entre México y líderes internacionales de la industria.
Capacitación de científicos e ingenieros mexicanos en la vanguardia de la investigación sobre almacenamiento de energía.
La propiedad intelectual y los recursos humanos creados posicionarán a México en un buen lugar para desarrollar una industria nacional de almacenamiento de energía con un impacto internacional.
Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y presencia a la tecnología mexicana, para que la inversión privada impulse los desarrollos en estos campos y con ello se establezcan nuevas industrias y se generen los empleos que crearán riqueza, bienestar, protección al ambiente, así como el éxito del almacenamiento de energía limpia en nuestro país.
Ciencia al descubierto
Ciencia al descubierto
Baterías de flujo y celdas de combustible
Baterías de flujo y celdas de combustible
Proyecto liderado por el INEEL que busca explorar nuevos conceptos de baterías de flujo y celdas
de combustible, basadas en materiales potencialmente más baratos para electrolitos, membranas y
catalizadores.
Proyecto liderado por el INEEL que busca explorar nuevos conceptos de baterías de flujo y celdas
de combustible, basadas en materiales potencialmente más baratos para electrolitos, membranas y
catalizadores.
Resumen
Resumen
Este proyecto responde a la convocatoria del "Fondo
Sectorial CONACYT-SENER/Sustentabilidad Energética" que
busca explorar nuevos conceptos de baterías de flujo y
celdas de combustible basadas en materiales potencialmente
más baratos para electrolitos, membranas y catalizadores.
La utilización de materiales de menor costo en
baterías de flujo y celdas de combustible permitirá que
estos desarrollos sean competitivos con las tecnologías
actuales de almacenamiento de energía para aplicaciones
en la red eléctrica nacional, como son las baterías de iones
de litio, las baterías de flujo redox de vanadio o las celdas
de combustible tipo PEM.
Objetivo
Objetivo
El objetivo final de este proyecto es realizar prototipos de
celdas de combustible (1 kW) y baterías de flujo (20 kW)
que presenten una alta eficiencia y una buena durabilidad
a bajo costo. Estos prototipos serán probados con un sistema
de interconexión eléctrica y sistemas de control para
operar en combinación con una red eléctrica. Se realizará un
importante esfuerzo de ingeniería para probar los prototipos
interconectados con una micro red y lograr validar su operación,
así como los criterios de balance de planta, mecánicos
y eléctricos, de los sistemas diseñados. Se incluirá un
esfuerzo de modelado para garantizar el diseño de celdas de
combustible y baterías de flujo con una eficiencia de conversión
óptima, y para modelar fenómenos físico-químicos en
las plantas prototipo. Los desarrollos se verán respaldados
por los modelados de costos y aplicaciones que garanticen
que los prototipos sean competitivos y posean características
técnicas relevantes para las aplicaciones de almacenamiento
en el contexto de la Red Eléctrica Nacional.
El reto de México
El reto de México
El reto de México en materia de energías limpias y sus
compromisos para reducir el impacto del cambio climático,
han dado lugar a una creciente penetración de generación intermitente de energías renovables que, para ser
mejor aprovechadas, requieren la integración de grandes
capacidades de almacenamiento de energía con el objeto
de equilibrar el suministro eléctrico, atender picos de la
demanda de energía y para mantener la estabilidad de la
red. Como consecuencia, se espera que la necesidad de
almacenamiento de energía a gran escala crezca exponencialmente
durante la próxima década. Con respecto a las
tecnologías electroquímicas, las baterías de iones de litio
son la referencia tecnológica en la actualidad, aunque los
precios de las baterías basadas en litio siguen siendo aún
demasiado altos y sus tiempos de descarga son muy cortos
para aplicaciones que permitan lograr una integración
más amplia y un mejor aprovechamiento de las energías
renovables.
"Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y fuerza a la tecnología mexicana."
"Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y fuerza a la tecnología mexicana."
Las baterías de flujo y las celdas de combustible
Las baterías de flujo y las celdas de combustible
Estas tecnologías se han formulado con el potencial de
proporcionar almacenamiento de energía de larga duración
(mayor a cuatro horas) y a bajo costo.
Una batería de flujo es un tipo de sistema de almacenamiento electroquímico en el que los materiales activos redox están disueltos en líquidos. Los electrolitos cargados positiva y negativamente se almacenan en tanques separados para, posteriormente, ser llevados a un reactor electroquímico (celda) que consta de arreglos de electrodos separados por una membrana semipermeable. La tecnología de baterías de flujo hoy en día tiene como referente más conocido la química todo-vanadio. Este tipo de baterías han demostrado la factibilidad técnica de descargas largas de energía, pero se basan en materiales electrolíticos costosos, lo que hace incierto si serán económicamente competitivas para las aplicaciones de almacenamiento a escala de red.
Una celda de combustible es un dispositivo que utiliza el hidrógeno como fuente para generar electricidad. Las celdas de combustible están concebidas para almacenar energía a gran escala cuando se combinan con electrolizadores que convierten el exceso de la energía renovable (solar, hidráulica o eólica) en hidrógeno. En las celdas de combustible, las reacciones electroquímicas tienen lugar en el denominado ensamble membrana electrodo, que consiste en una membrana de intercambio iónico dopada con un catalizador para las reacciones de oxidación de hidrógeno y de reducción de oxígeno. Tradicionalmente, las celdas de combustible usan una membrana de intercambio de protones (PEM) que tienen platino metálico como catalizador. A pesar de la madurez tecnológica de la celda de combustible basada en PEM, el uso de catalizadores de platino, prohibitivamente caros, dificulta la competencia con las tecnologías de almacenamiento de energía predominantes, como las baterías de iones de litio.
Este programa reunirá a expertos de diversas instituciones dentro y fuera del país que se concentrarán en los tres desarrollos tecnológicos siguientes:
Baterías de flujo basadas en electrodiálisis: en este concepto, la energía se almacena mediante la disociación de soluciones de electrolitos salinos simples en sus correspondientes soluciones ácido y base por medio de membranas de intercambio iónico de alto rendimiento. La principal innovación en este concepto no se centrará en las soluciones de electrolitos, sino en el desarrollo de membranas de intercambio iónico de bajo costo, baja resistencia y alta durabilidad. Este desarrollo se llevará hasta un prototipo de 20 kW de potencia.
Baterías de flujo basadas en materiales orgánicos redox activos: esta tecnología busca evitar el empleo de metales caros, como el vanadio, y se centra en la identificación de compuestos orgánicos redox activos adecuados. Con base en cálculos químicos cuánticos de alto rendimiento, se sintetizará y evaluará una selección de moléculas orgánicas para su uso en baterías de flujo.
Celdas de combustible basadas en membranas de intercambio iónico alcalinas: cuando se realiza la oxidación de hidrógeno y la reacción de reducción de oxígeno en un ambiente alcalino, se puede usar una amplia gama de catalizadores metálicos de bajo costo (incluyendo níquel, hierro, cobre, cobalto y plata) que reemplazarían al platino. Las principales innovaciones de este concepto incluyen el desarrollo de membranas de intercambio iónico alcalinas robustas, en combinación con catalizadores duraderos de bajo costo.
Una batería de flujo es un tipo de sistema de almacenamiento electroquímico en el que los materiales activos redox están disueltos en líquidos. Los electrolitos cargados positiva y negativamente se almacenan en tanques separados para, posteriormente, ser llevados a un reactor electroquímico (celda) que consta de arreglos de electrodos separados por una membrana semipermeable. La tecnología de baterías de flujo hoy en día tiene como referente más conocido la química todo-vanadio. Este tipo de baterías han demostrado la factibilidad técnica de descargas largas de energía, pero se basan en materiales electrolíticos costosos, lo que hace incierto si serán económicamente competitivas para las aplicaciones de almacenamiento a escala de red.
Una celda de combustible es un dispositivo que utiliza el hidrógeno como fuente para generar electricidad. Las celdas de combustible están concebidas para almacenar energía a gran escala cuando se combinan con electrolizadores que convierten el exceso de la energía renovable (solar, hidráulica o eólica) en hidrógeno. En las celdas de combustible, las reacciones electroquímicas tienen lugar en el denominado ensamble membrana electrodo, que consiste en una membrana de intercambio iónico dopada con un catalizador para las reacciones de oxidación de hidrógeno y de reducción de oxígeno. Tradicionalmente, las celdas de combustible usan una membrana de intercambio de protones (PEM) que tienen platino metálico como catalizador. A pesar de la madurez tecnológica de la celda de combustible basada en PEM, el uso de catalizadores de platino, prohibitivamente caros, dificulta la competencia con las tecnologías de almacenamiento de energía predominantes, como las baterías de iones de litio.
Este programa reunirá a expertos de diversas instituciones dentro y fuera del país que se concentrarán en los tres desarrollos tecnológicos siguientes:
Baterías de flujo basadas en electrodiálisis: en este concepto, la energía se almacena mediante la disociación de soluciones de electrolitos salinos simples en sus correspondientes soluciones ácido y base por medio de membranas de intercambio iónico de alto rendimiento. La principal innovación en este concepto no se centrará en las soluciones de electrolitos, sino en el desarrollo de membranas de intercambio iónico de bajo costo, baja resistencia y alta durabilidad. Este desarrollo se llevará hasta un prototipo de 20 kW de potencia.
Baterías de flujo basadas en materiales orgánicos redox activos: esta tecnología busca evitar el empleo de metales caros, como el vanadio, y se centra en la identificación de compuestos orgánicos redox activos adecuados. Con base en cálculos químicos cuánticos de alto rendimiento, se sintetizará y evaluará una selección de moléculas orgánicas para su uso en baterías de flujo.
Celdas de combustible basadas en membranas de intercambio iónico alcalinas: cuando se realiza la oxidación de hidrógeno y la reacción de reducción de oxígeno en un ambiente alcalino, se puede usar una amplia gama de catalizadores metálicos de bajo costo (incluyendo níquel, hierro, cobre, cobalto y plata) que reemplazarían al platino. Las principales innovaciones de este concepto incluyen el desarrollo de membranas de intercambio iónico alcalinas robustas, en combinación con catalizadores duraderos de bajo costo.
Proyecto liderado por el INEEL
Proyecto liderado por el INEEL
El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
(INEEL) es la institución líder para el desarrollo de ambas
tecnologías y programas de investigación, ya que cuenta
con personal de más de 40 años de experiencia en investigación,
innovación aplicada y desarrollo tecnológico.
Se cuenta también con un consorcio que está formado por universidades, institutos nacionales y colaboradores industriales, además, con respaldo de fabricantes líderes para el desarrollo de las membranas.
Se cuenta también con un consorcio que está formado por universidades, institutos nacionales y colaboradores industriales, además, con respaldo de fabricantes líderes para el desarrollo de las membranas.
Conclusiones
Conclusiones
La diversidad de las instituciones involucradas y el liderazgo
del INEEL, aseguran la realización de los programas
integrales de investigación de baterías de flujo y celdas de
combustible, que incluyen química fundamental (cálculos
y síntesis), pruebas de sistemas electroquímicos (escala
pequeña y piloto), optimización de componentes (en particular
membranas de intercambio iónico), desarrollo de
catalizadores, modelado electroquímico de conjuntos de
celdas, realización de prototipos de sistemas electroquímicos,
integración de sistemas electroquímicos con la red y
fabricación de sistemas electroquímicos.
El impacto de este proyecto será:
Generación de una importante propiedad intelectual, tanto en términos de publicaciones académicas como en patentes.
Colaboración entre las instituciones nacionales de investigación, así como sólidos contactos entre México y líderes internacionales de la industria.
Capacitación de científicos e ingenieros mexicanos en la vanguardia de la investigación sobre almacenamiento de energía.
La propiedad intelectual y los recursos humanos creados posicionarán a México en un buen lugar para desarrollar una industria nacional de almacenamiento de energía con un impacto internacional.
Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y presencia a la tecnología mexicana, para que la inversión privada impulse los desarrollos en estos campos y con ello se establezcan nuevas industrias y se generen los empleos que crearán riqueza, bienestar, protección al ambiente, así como el éxito del almacenamiento de energía limpia en nuestro país.
El impacto de este proyecto será:
Generación de una importante propiedad intelectual, tanto en términos de publicaciones académicas como en patentes.
Colaboración entre las instituciones nacionales de investigación, así como sólidos contactos entre México y líderes internacionales de la industria.
Capacitación de científicos e ingenieros mexicanos en la vanguardia de la investigación sobre almacenamiento de energía.
La propiedad intelectual y los recursos humanos creados posicionarán a México en un buen lugar para desarrollar una industria nacional de almacenamiento de energía con un impacto internacional.
Desarrollos como estos permitirán dar certidumbre y presencia a la tecnología mexicana, para que la inversión privada impulse los desarrollos en estos campos y con ello se establezcan nuevas industrias y se generen los empleos que crearán riqueza, bienestar, protección al ambiente, así como el éxito del almacenamiento de energía limpia en nuestro país.
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