Investigadores de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y de Computación (FEEC) de la Universidad Estatal de Campinas (Unicamp), vinculados al grupo Brazilian Renewable Energies (BREnergies), desarrollaron una nueva arquitectura de batería de flujo para almacenamiento estacionario de energía a gran escala. El proyecto utiliza electrodos cilíndricos y circulación interna del electrolito, lo que reduce los componentes externos asociados a fugas y mantenimiento.

La tecnología fue desarrollada durante el doctorado del ingeniero electricista João Pedro Aguiar dos Santos, bajo la dirección de César Pagan y la codirección de Hudson Zanin, ambos de la FEEC. La investigación dio lugar a una solicitud de patente presentada ante el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI), con el apoyo de la Agencia de Innovación Inova Unicamp.

Arquitectura cilíndrica

Las baterías de flujo convencionales utilizan placas apiladas y bombas y mangueras externas para mover los electrolitos. Para reducir la complejidad y los puntos susceptibles a fugas, los investigadores desarrollaron dos electrodos en forma de anillo, uno dentro del otro. Las celdas se sellan individualmente y pueden conectarse en serie sin formar grandes conjuntos apilados.

Otra diferencia es la circulación del electrolito. Una pequeña turbina instalada dentro de la batería impulsa el flujo de la solución, eliminando las mangueras externas y reduciendo los componentes sujetos a obstrucciones o roturas.

“Durante los estudios, me di cuenta de que no existía ningún tipo de diseño o montaje experimental que pudiéramos comprar para ensamblar la batería. Eso fue un gran desafío, porque tuvimos que construir desde las celdas hasta los reactores más grandes para realizar los experimentos en el laboratorio”, explica Santos.

El desarrollo implicó conocimientos de ingeniería mecánica, electrónica y electroquímica.

El prototipo alcanza 400 ciclos

En las pruebas de carga y descarga, la batería alcanzó aproximadamente 400 ciclos sin aditivos en el electrolito. Según los investigadores, sistemas similares descritos en la literatura no superaron alrededor de 100 ciclos en las mismas condiciones debido al crecimiento de dendritas.

El ensayo se interrumpió por una limitación mecánica en el anillo colector rotativo responsable del contacto eléctrico del electrodo interno, y no por una falla electroquímica. El equipo estima que las mejoras en el componente y el uso de aditivos podrían elevar la vida útil a más de 3 mil ciclos.

El prototipo presentó una eficiencia de carga del 98% y una eficiencia energética de alrededor del 82%. En una prueba práctica, funcionó durante dos horas alimentando luces LED y un ventilador.

Los investigadores también desarrollaron un sistema de gestión con placa electrónica y software para monitorear tensión, corriente, temperatura, pH y conductividad. Una cámara endoscópica permite observar la formación de dendritas en el interior de la batería.

Plomo disuelto e insumos nacionales

La arquitectura puede adaptarse a tres composiciones químicas. En las pruebas, se utilizó una formulación basada en iones de plomo disueltos en un electrolito acuoso.

La solución puede utilizar materiales disponibles en Brasil, como grafito, motores y componentes mecánicos. El electrolito a base de agua no es inflamable. La tecnología también aprovecha la cadena nacional de reciclaje de plomo, que recupera más del 98% del material.

A diferencia de las baterías convencionales de plomo-ácido, que utilizan placas sólidas de plomo, la nueva arquitectura emplea electrodos de grafito, mientras que el plomo permanece disuelto en la solución y se deposita y regresa al electrolito durante la operación.

En las pruebas, el sistema mantuvo su rendimiento a lo largo de los 400 ciclos evaluados. Los investigadores esperan alcanzar una vida útil de hasta 20 años, con la posibilidad de sustituir el electrolito cuando sea necesario, sin cambiar toda la batería.

La formulación utiliza además ácido metanosulfónico (MSA), considerado biodegradable y menos tóxico y corrosivo que los ácidos minerales empleados en otras aplicaciones electroquímicas.

Aplicaciones en energía renovable

La tecnología fue diseñada para sistemas BESS (Battery Energy Storage Systems) asociados a plantas solares y eólicas o directamente a la red. Entre sus aplicaciones se encuentran el almacenamiento de excedentes para su uso posterior y la reducción del curtailment cuando la red no puede absorber o transportar toda la energía producida.

La solución también podrá aplicarse en sistemas aislados y regiones dependientes de la generación diésel, contribuyendo a reducir el uso de generación térmica cuando haya disponibilidad de fuentes renovables.

En Brasil, este mercado cobra relevancia con las discusiones sobre la Subasta de Reserva de Capacidad en forma de Potencia (LRCAP) para sistemas de almacenamiento.

Por sus características, la tecnología está orientada al almacenamiento estacionario, y no a la movilidad eléctrica.

Próximas etapas

Los próximos pasos incluyen mejorar el sistema de contacto eléctrico, probar nuevos aditivos y evaluar la conductividad, la durabilidad y el rendimiento a largo plazo.

La tecnología está disponible para su licenciamiento a empresas interesadas en desarrollar aplicaciones comerciales. Inova Unicamp actúa como enlace entre los investigadores y potenciales socios para la transferencia de tecnología. El contacto inicial con Inova debe realizarse mediante un formulario de conexión disponible en el sitio web de la Agencia.