Un nuevo sistema de almacenamiento de energía combina batería y electrolizador

Herramienta para la transición energética: sólo una décima parte de los costes de material de una batería de iones de litio

11.10.2023

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Un consorcio de investigación en el que participa la Universidad Técnica de Berlín está trabajando en un nuevo tipo de pila de zinc-hidrógeno que puede almacenar electricidad con un alto grado de eficiencia y libera no sólo energía eléctrica sino también hidrógeno al descargarse. Esto se consigue combinando el electrodo negativo de zinc de la pila con el principio de la electrólisis alcalina del agua. Como contraelectrodo positivo se utiliza un electrodo especial de hidrógeno/oxígeno gaseoso que sirve de electrocatalizador. Las pruebas iniciales del nuevo sistema de almacenamiento de energía mostraron una eficiencia del 50% para el almacenamiento de electricidad y del 80% para la generación de hidrógeno, con una vida útil prevista de diez años.

La transición energética en Alemania requiere no sólo centrales eficientes para generar energía eléctrica renovable a partir del viento y la luz solar, sino también tecnologías de almacenamiento y transporte rentables y eficientes. Esta es la única manera de llevar la energía verde desde sus lugares de generación hasta las aglomeraciones urbanas y los centros industriales alemanes y también de compensar la fluctuación natural de su generación. "En la percepción pública, las tecnologías de las pilas y el hidrógeno han estado compitiendo entre sí aquí hasta ahora", afirma el Prof. Dr. Peter Strasser, director del departamento de "Catálisis Electroquímica, Energía y Ciencias de los Materiales" de TU Berlín. "El nuevo enfoque de nuestro proyecto de consorcio demuestra que merece la pena desafiar esta forma de pensar y, en su lugar, elegir lo mejor de ambos mundos".

Electrólisis del agua en dos pasos, dividida en procesos de carga y descarga

"El núcleo de nuestra nueva batería combinada es un electrodo de gas bifuncional catalíticamente activo", explica Strasser. Junto con el electrodo negativo de zinc, se encuentra en un electrolito líquido de hidróxido potásico y agua, es decir, una solución de potasa cáustica. Durante el proceso de descarga, el catalizador del electrodo de gas separa las moléculas de hidrógeno (H2) de las de agua (H2O). Este hidrógeno se escapa y puede almacenarse y utilizarse posteriormente. Al mismo tiempo, los iones OH eléctricamente negativos del electrolito migran hacia el electrodo de zinc. Allí reaccionan con el zinc y forman óxido de zinc (ZnO) y agua, al tiempo que liberan electrones. Este proceso de descarga proporciona energía eléctrica utilizable y gas hidrógeno al mismo tiempo.

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"Sólo cuando se recarga la pila tiene lugar la segunda parte de la electrólisis, la liberación de oxígeno", explica Strasser. Con la ayuda de la energía eléctrica y los electrones procedentes del exterior, el electrodo de óxido de zinc se reduce de nuevo a zinc metálico, se forman iones OH, que ahora migran al electrodo de gas y allí son convertidos en agua por el catalizador, con lo que se escapa el oxígeno (4 OH → 2 H2O + O2). Para que estos procesos tengan lugar de forma continua, es necesario suministrar agua a la nueva unidad de almacenamiento de energía en la cantidad en la que escapan el hidrógeno y el oxígeno.

Buena eficacia, materias primas baratas y fácil reciclado

"Lo especial de esta pila de Zn-H2 es, por tanto, que cuando se descarga, la energía se suministra tanto en forma de electricidad como de hidrógeno gaseoso", explica Peter Strasser. "El hidrógeno puede entonces utilizarse directamente como materia prima en procesos de la industria química, convertirse en electricidad en pilas de combustible convencionales o turbinas, o utilizarse como combustible para calor en centrales eléctricas de gas o redes de calefacción urbana." En comparación con las baterías de iones de litio convencionales, la nueva pila sólo utiliza materias primas mucho más baratas (acero, zinc, hidróxido de potasio, agua), que sólo cuestan una décima parte. Además, la batería es fácilmente reciclable.

Las pruebas iniciales realizadas en el Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración (IZM), que también dirige el consorcio, ya han demostrado que la nueva batería es muy eficiente. Con una eficiencia global del 50% para el almacenamiento "electricidad-electricidad", es el doble que la de la mayoría de las tecnologías de conversión de energía en gas, en las que, por ejemplo, la electricidad procedente de la energía eólica se convierte en hidrógeno gaseoso mediante electrólisis convencional y luego el hidrógeno se vuelve a convertir en electricidad utilizando turbinas o pilas de combustible. En el caso de la producción de hidrógeno, la eficiencia alcanza el 80%. Además, las pruebas de laboratorio sugieren que los sistemas tendrán una vida útil de unos diez años.

Construcción de un demostrador para finales de 2023

"La TU Berlín aportó al consorcio nuestra experiencia en electrólisis de agua alcalina, así como nuestros muchos años de conocimientos en tecnología de catalizadores", explica Peter Strasser. Ahora, los investigadores quieren montar un demostrador y realizar pruebas de fiabilidad antes de que acabe el año. Los parámetros de carga y descarga deben optimizarse para que sea posible un funcionamiento estable durante varios miles de ciclos. Si los resultados de los experimentos del demostrador son positivos, la empresa Zn2H2 GmbH, que también es miembro del consorcio y ya ha solicitado varias patentes para el proceso, se encargaría de que la tecnología se implantara rápidamente en el mercado.

Los otros socios del consorcio en el proyecto son Steel PRO Maschinenbau GmbH, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación e Investigación Aplicada de Materiales (IFAM) y el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck. El proyecto con la abreviatura "Zn-H2" está financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) con el número de financiación 03SF0630A y se desarrollará hasta septiembre de 2025.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

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