Una batería de sodio-azufre es un tipo de batería de sal fundida construida a partir de sodio líquido (Na) y azufre (S). [1] [2] Este tipo de batería tiene una alta densidad de energía , alta eficiencia de carga / descarga [3] y un ciclo de vida prolongado , y está fabricada con materiales económicos. Las temperaturas de funcionamiento de 300 a 350 ° C y la naturaleza altamente corrosiva de los polisulfuros de sodio , los hacen principalmente adecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionarias. La celda se vuelve más económica a medida que aumenta el tamaño.
Construcción
Las baterías típicas tienen una membrana de electrolito sólido entre el ánodo y el cátodo , en comparación con las baterías de metal líquido donde el ánodo, el cátodo y la membrana son líquidos. [2]
La celda generalmente se fabrica en una configuración cilíndrica. Toda la celda está rodeada por una carcasa de acero que está protegida, generalmente por cromo y molibdeno , de la corrosión en el interior. Este recipiente exterior sirve como electrodo positivo, mientras que el sodio líquido sirve como electrodo negativo. El recipiente está sellado en la parte superior con una tapa hermética de alúmina . Una parte esencial de la celda es la presencia de una membrana BASE ( electrolito sólido de beta-alúmina ), que conduce selectivamente el Na + . En aplicaciones comerciales, las celdas están dispuestas en bloques para una mejor conservación del calor y están encerradas en una caja aislada al vacío.
Operación
Durante la fase de descarga, el sodio elemental fundido en el núcleo sirve como ánodo , lo que significa que el Na dona electrones al circuito externo. El sodio se separa mediante un cilindro de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE) del recipiente de azufre fundido, que se fabrica a partir de un metal inerte que sirve como cátodo . El azufre se absorbe en una esponja de carbón .
BASE es un buen conductor de iones de sodio por encima de 250 ° C, pero un mal conductor de electrones, por lo que evita la autodescarga. El sodio metálico no moja completamente la BASE por debajo de 400 ° C debido a una capa de óxido (s) que los separa; esta temperatura se puede bajar a 300 ° C recubriendo la BASE con ciertos metales y / o agregando absorbentes de oxígeno al sodio, pero aun así la humectación fallará por debajo de 200 ° C. [4]
Cuando el sodio emite un electrón , el ion Na + migra al contenedor de azufre. El electrón impulsa una corriente eléctrica a través del sodio fundido hasta el contacto, a través de la carga eléctrica y de regreso al contenedor de azufre. Aquí, otro electrón reacciona con azufre para formar S n 2− , polisulfuro de sodio . El proceso de descarga se puede representar de la siguiente manera:
- 2 Na + 4 S → Na 2 S 4 ( celda E ~ 2 V)
A medida que la célula se descarga, el nivel de sodio desciende. Durante la fase de carga tiene lugar el proceso inverso. Una vez en funcionamiento, el calor producido por los ciclos de carga y descarga es suficiente para mantener las temperaturas de funcionamiento y, por lo general, no se requiere una fuente externa. [5]
Seguridad
El sodio puro presenta un peligro, porque se quema espontáneamente en contacto con el aire y la humedad, por lo que el sistema debe protegerse del agua y atmósferas oxidantes.
Incidente de incendio en la planta de Tsukuba en 2011
Temprano en la mañana del 21 de septiembre de 2011, un sistema de baterías NaS de 2000 kilovatios fabricado por NGK , propiedad de Tokyo Electric Power Company, utilizado para almacenar electricidad e instalado en la planta de Mitsubishi Materials Corporation de Tsukuba, Japón, se incendió. Tras el incidente, NGK suspendió temporalmente la producción de baterías NaS. [6]
Desarrollo
Estados Unidos
Ford Motor Company fue pionera en la batería en la década de 1960 para impulsar los primeros modelos de automóviles eléctricos . [7]
A partir de 2009[actualizar], Una temperatura más baja, la versión electrodo sólido estaba en desarrollo en Utah por Ceramatec . Usan una membrana NASICON para permitir el funcionamiento a 90 ° C con todos los componentes permaneciendo sólidos. [8] [9]
En 2014, los investigadores identificaron una aleación líquida de sodio-cesio que opera a 150 ° C y produce 420 miliamperios- hora por gramo. El material recubrió completamente ("humedeció") el electrolito. Después de 100 ciclos de carga / descarga, una batería de prueba mantuvo aproximadamente el 97% de su capacidad de almacenamiento inicial. La temperatura de funcionamiento más baja permitió el uso de una carcasa externa de polímero menos costosa en lugar de acero, compensando parte del aumento de costo asociado con el uso de cesio. [4] [10]
Japón
La batería NaS fue uno de los cuatro tipos de baterías seleccionados como candidatos para una investigación intensiva por MITI como parte del "Proyecto Moonlight" en 1980. Este proyecto buscaba desarrollar un dispositivo de almacenamiento de energía de servicio duradero que cumpliera los criterios que se muestran a continuación en un proyecto de 10 años .
- Clase de 1000 kW
- Carga de 8 horas / descarga de 8 horas a carga nominal
- Eficiencia del 70% o mejor
- Vida útil de 1500 ciclos o mejor
Los otros tres eran baterías mejoradas de plomo-ácido , flujo redox (tipo vanadio) y bromuro de zinc .
Un consorcio formado por TEPCO ( Tokyo Electric Power Co.) y NGK ( NGK Insulators Ltd.) declaró su interés en investigar la batería NaS en 1983 y se convirtió en el principal impulsor del desarrollo de este tipo desde entonces. TEPCO eligió la batería NaS porque todos sus elementos componentes (sodio, azufre y cerámica) son abundantes en Japón. La primera prueba de campo a gran escala se llevó a cabo en la subestación Tsunashima de TEPCO entre 1993 y 1996, utilizando 3 bancos de baterías de 2 MW y 6,6 kV. Sobre la base de los resultados de esta prueba, se desarrollaron módulos de batería mejorados que se comercializaron en 2000. El banco comercial de baterías NaS ofrece: [11]
- Capacidad: 25 a 250 kWh por banco
- Eficiencia del 87%
- Vida útil de 2500 ciclos al 100% de profundidad de descarga (DOD) o 4500 ciclos al 80% de DOD
Un proyecto de demostración utilizó una batería NaS en el parque eólico Miura de Japan Wind Development Co. en Japón. [12]
Japan Wind Development inauguró un parque eólico de 51 MW que incorpora un sistema de baterías de sulfuro de sodio de 34 MW en Futamata, en la prefectura de Aomori, en mayo de 2008. [13]
En 2007, se instalaron 165 MW de capacidad en Japón. NGK anunció en 2008 un plan para ampliar la producción de su fábrica de NaS de 90 MW al año a 150 MW al año. [14]
En 2010, Xcel Energy anunció que probaría una batería de almacenamiento de energía de un parque eólico basada en veinte baterías de sodio-azufre de 50 kW. Se espera que la batería del tamaño de 2 semirremolques de 80 toneladas tenga una capacidad de 7,2 MW · h con una tasa de carga y descarga de 1 MW. [15] Desde entonces, NGK anunció varios despliegues a gran escala, incluida una planta virtual distribuida en 10 sitios en los Emiratos Árabes Unidos por un total de 108 MW / 648 MWh en 2019. [16]
En marzo de 2011, Sumitomo Electric Industries y la Universidad de Kyoto anunciaron que habían desarrollado una batería de iones de sodio fundido a baja temperatura que puede generar energía a menos de 100 ° C. Las baterías tienen el doble de densidad de energía que las de iones de litio y un costo considerablemente menor. El director ejecutivo de Sumitomo Electric Industry, Masayoshi Matsumoto, indicó que la compañía planeaba comenzar la producción en 2015. Se prevé que las aplicaciones iniciales sean edificios y autobuses. [17] [ verificación fallida ]
Desafíos
Se descubrió que la corrosión de los aisladores era un problema en el duro entorno químico, ya que gradualmente se volvían conductores y aumentaba la tasa de autodescarga. El crecimiento de sodio dendrítico también puede ser un problema.
Aplicaciones
Sistemas de red y autónomos
Las baterías NaS pueden desplegarse para soportar la red eléctrica o para aplicaciones autónomas de energía renovable [18] . Bajo algunas condiciones de mercado, las baterías NaS proporcionan valor a través del arbitraje de energía (carga de la batería cuando la electricidad es abundante / barata y descarga a la red cuando la electricidad es más valiosa) y la regulación del voltaje . [19] Las baterías NaS son una posible tecnología de almacenamiento de energía para apoyar la generación de energía renovable, específicamente parques eólicos y plantas de generación solar. En el caso de un parque eólico, la batería almacenaría energía durante épocas de vientos fuertes pero poca demanda de energía. Esta energía almacenada podría descargarse de las baterías durante los períodos de carga máxima . Además de este cambio de energía, las baterías de sulfuro de sodio podrían usarse para ayudar a estabilizar la producción de energía del parque eólico durante las fluctuaciones del viento. Estos tipos de baterías presentan una opción para el almacenamiento de energía en lugares donde otras opciones de almacenamiento no son factibles. Por ejemplo, las instalaciones hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo requieren importantes recursos de espacio y agua, mientras que el almacenamiento de energía por aire comprimido ( CAES ) requiere algún tipo de característica geológica, como una cueva de sal. [20]
En 2016, Mitsubishi Electric Corporation encargó la batería de sodio-azufre más grande del mundo en la prefectura de Fukuoka , Japón. La instalación ofrece almacenamiento de energía para ayudar a administrar los niveles de energía durante las horas pico con fuentes de energía renovable. [21] [22]
Espacio
Debido a su alta densidad de energía, la batería NaS se ha propuesto para aplicaciones espaciales. [23] [24] Las células de azufre de sodio pueden ser calificadas para el espacio: de hecho, una célula de prueba de azufre de sodio voló en el transbordador espacial . El experimento de vuelo de NaS demostró una batería con una energía específica de 150 W · h / kg (3 x densidad de energía de la batería de níquel-hidrógeno), operando a 350 ° C. Fue lanzado en la misión STS-87 en noviembre de 1997 y demostró 10 días de operación experimental. [25]
El concepto de la misión Venus Landsailing Rover también está considerando el uso de este tipo de batería, ya que el rover y su carga útil están siendo diseñados para funcionar durante unos 50 días en la superficie caliente de Venus sin un sistema de refrigeración. [26] [27]
Transporte y maquinaria pesada
El primer uso a gran escala de baterías de sodio-azufre fue en el vehículo de demostración Ford "Ecostar" , [28] un prototipo de vehículo eléctrico en 1991. Sin embargo, la alta temperatura de funcionamiento de las baterías de sodio-azufre presentó dificultades para el uso de vehículos eléctricos. El Ecostar nunca entró en producción.
Ver también
- Lista de tipos de baterías
- Batería de litio-azufre
- Batería de sal fundida
Referencias
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enlaces externos
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- Almacenamiento de energía avanzado para tecnologías de energía renovable