La Red de Excelencia Cervera Almagrid está desarrollando materiales, componentes y sistemas de almacenamiento optimizados que permitan suministrar una serie de servicios de red estratégicos para aliviar el impacto de las tecnologías renovables variables e intermitentes, contribuyendo de esta forma a hacer viable un sistema eléctrico basado únicamente en tecnologías limpias.
La Red de Excelencia Cervera Almagrid está desarrollando materiales, componentes y sistemas de almacenamiento optimizados que permitan suministrar una serie de servicios de red estratégicos para aliviar el impacto de las tecnologías renovables variables e intermitentes, contribuyendo de esta forma a hacer viable un sistema eléctrico basado únicamente en tecnologías limpias.
Contexto: Red Cervera Almagrid
El objetivo de la Red de Excelencia Cervera Almagrid ‘Integración de tecnologías avanzadas de almacenamiento de energía para aplicaciones de red’ es constituir una alianza de centros tecnológicos para desarrollar un plan de actuaciones estratégicas y tecnológicas que permitan desarrollar sistemas de almacenamiento avanzados para dar respuesta a las necesidades de integración masiva de tecnologías de generación renovable en la red eléctrica.
Para ello, se están desarrollando materiales, componentes y sistemas de almacenamiento optimizados que permitan suministrar una serie de servicios de red estratégicos para aliviar el impacto de las tecnologías renovables variables e intermitentes, contribuyendo de esta forma a hacer viable un sistema eléctrico basado únicamente en tecnologías limpias y competitivas, e identificando nichos de aplicación de las tecnologías de almacenamiento que ofrezcan nuevas oportunidades de negocio a la industria española. En este sentido se abordan tres tecnologías; baterías de ion litio, baterías de zinc aire y baterías de flujo redox.
La red está integrada por cuatro Centros de Investigación Tecnológica en el sector de la energía, cada uno de ellos especializado en una línea de trabajo. Concretamente, dentro de esta red ITE trabaja en el desarrollo de materiales tanto poliméricos como carbonosos, además de en la evaluación del impacto ambiental de las tecnologías abordadas. El proyecto Almagrid, está financiado por el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial-CDTI dentro de la convocatoria de Cervera (EXP-00122536/CER-20191006).
Baterías zinc aire
Para poder asegurar un suministro eficiente de energía se necesitan sistemas de almacenamiento energético de bajo coste, eficientes energéticamente, que permitan el almacenamiento a gran escala, además de seguros. De entre los diferentes sistemas de almacenamiento desarrollados, las baterías metal aire tienen un gran potencial en este sentido debido a las grandes ventajas que plantean.
Se trata de baterías que cuentan con cuatro componentes principales; un cátodo de aire, ánodo metálico, membrana y el electrolito. El hecho de que estén abiertas y empleen aire como oxidante contribuye al abaratamiento de los costes de la tecnología frente a otras. Además, de entre los diferentes metales que pueden ser empleados como materiales anódicos, el zinc destaca por tratarse de un elemento inocuo dando como resultado una tecnología de bajo coste, con elevada densidad energética y respetuosa con el medio ambiente.
Sin embargo, las baterías recargables de zinc aire todavía han de hacer frente a diferentes retos para poder ser comercializadas. Entre estos retos se encuentran la evaporación del agua del electrolito acuoso, la formación de dendritas o la entrado del dióxido de carbono (CO2) atmosférico en el interior de la celda dando lugar a reacciones indeseadas. Precisamente, este último es uno de los retos que está siendo abordado por la red Almagrid, dado que es imprescindible minimizarlo para aumentar el rendimiento y, por tanto, la vida útil de estas baterías.
Membranas líquidas soportadas
Para abordar este problema relacionado con la entrada de dióxido de carbono en el interior de las celdas se han seguido distintas estrategias desde el desarrollo de las baterías zinc aire. En este caso, dada la experiencia de ITE en el desarrollo de membranas poliméricas, se están desarrollando membranas líquidas soportadas.
Existen diferentes tipos de membranas empleadas para separación de gases, se trata habitualmente de films de bajos espesores y porosos. Estas membranas actúan como barrera semipermeable para permitir el transporte de algunos de los componentes de la corriente de gas entrante pero para rechazar otros, como el dióxido de carbono en este caso. Se trata de procesos que han atraído gran atención durante los últimos años debido a su eficiencia energética. En función de la composición de la corriente de gas de alimentación, del componente a separar y de las condiciones de presión o temperatura de los sistemas se diseña en cada caso el sistema de membranas más adecuado.
En este caso, la solución propuesta está basada en el empleo de membranas líquidas soportadas las cuales se situarían en la entrada del aire a las celdas con la finalidad de bloquear de este modo la entrada de dióxido de carbono en el sistema. Se trata de una tecnología para separación de dióxido de carbono prometedora dada su elevada eficiencia, bajo impacto ambiental y sencillez operacional.
Las membranas líquidas soportadas están formadas por una membrana porosa en el interior de cuyos poros se encuentra inmovilizada una fase líquida con capacidad de reacción con el dióxido de carbono. La membrana polimérica no juega, en este caso, un papel activo en la separación del dióxido de carbono, sino que proporciona el soporte para la fase líquida, encargada en este caso de reaccionar con el dióxido de carbono. Sin embargo, la estructura del soporte poroso tiene un rol fundamental, ya que aspectos como su mojabilidad o su porosidad son esenciales para asegurar la absorción final de dióxido de carbono.
Por otra parte, ha de seleccionarse una fase líquida (agente facilitador) con capacidad de reacción con el dióxido de carbono adecuada. Algunos agentes habitualmente empleados pueden ser aminas, primarias y secundarias principalmente, además de líquidos iónicos, opción más novedosa y prometedora.
Caso de estudio
Por lo tanto, para poder diseñar una membrana líquida soportada adecuada se ha de desarrollar un soporte poroso compatible con el agente facilitador seleccionado. El soporte ha de poseer una estructura porosa adecuada para poder absorber y retener las moléculas del agente facilitador en su interior y evitar, de este modo, el secado de la misma que daría lugar a una disminución de su rendimiento. Además, la membrana ha de ser estable frente al agente facilitador y no degradarse en su presencia.
Por ello, en esta línea se plantea un caso de estudio llevado a cabo en el que la investigación se centra en el desarrollo y selección del soporte poroso más apropiado para maximizar la capacidad de absorción de dióxido de carbono por parte de las membranas líquidas soportadas desarrolladas.
Se desarrollan cuatro membranas con diferentes estructuras porosas. Todas ellas están basadas en el mismo polímero pero la diferencia entre ellas radica en el agente porógeno empleado. Concretamente, se evalúa el efecto que cuatro agentes porógenos diferentes tienen sobre la porosidad de los soportes y, por tanto, sobre su capacidad de absorción de dióxido de carbono.
Técnicas como la microscopía electrónica de barrido y la porosimetría de mercurio se emplean para la caracterización de las membranas revelando ambas técnicas diferentes estructuras y distribuciones de tamaño de poros de las membranas en función del agente porógeno empleado. Por tanto, se concluye que la estructura y naturaleza de cada uno de los agentes afecta de manera clara a la estructura porosa de la membrana.
Una vez estos soportes porosos son caracterizados, se desarrollan las membranas líquidas soportadas mediante su impregnación con una amina. Al evaluar la capacidad de retención de la amina se observan diferencias entre las membranas debido a las distintas estructuras observadas anteriormente. Posteriormente, se emplea también la técnica de termogravimetría para evaluar la capacidad de absorción de dióxido de carbono por parte de las membranas soportadas. Se trata de una técnica rápida y de bajo coste que permite evaluar la interacción entre las membranas y el gas de interés.
La Tabla 1 recoge los resultados obtenidos en cuanto a capacidad de absorción de dióxido de carbono por parte de los cuatro soportes desarrollados, así como la capacidad de absorción de dióxido de carbono de las membranas desarrollas tras la impregnación de los soportes con la amina. Puede verse como tras la impregnación de los soportes con la misma, cuya capacidad de absorción de dióxido de carbono es de aproximadamente un 17%, se obtienen membranas soportadas que pueden llegar a alcanzar capacidades de hasta un 7% aproximadamente.
Los resultados muestran el efecto que los agentes porógenos seleccionados tienen sobre la distribución de tamaño de poros de las membranas y, por tanto, en la absorción de agente facilitador, la cual influencia la capacidad de absorción de dióxido de carbono de las membranas soportadas resultantes.
El diseño de la distribución de poros es, por tanto, de gran importancia para esta aplicación específica en la cual es necesario garantizar la penetración del agente facilitador en el interior de los poros del soporte poroso, así como su estabilidad a largo plazo.