Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autores
- Dr. Ione Cendoya, Jefe de Proyectos, Cidetec Energy Storage
- Dr. María Yáñez Díaz, Jefe de Proyectos, Cidetec Energy Storage
- Dr. Oscar Miguel Crespo, Director Cidetec Energy Storage
Resumen
La integración de energía renovable en la Red Eléctrica para contrarrestar el cambio climático resulta vital en el contexto energético actual. En el PNIEC 2021-2030, se definen los objetivos para la transición energética en España donde el almacenamiento de energía en baterías electroquímicas es un factor clave. La Red de Excelencia Cervera ALMAGRID, integrada por CIDETEC, TEKNIKER, ITE y CIRCE, tiene como objetivo configurar un marco estable de colaboración entre centros tecnológicos para ejecutar un plan de actuaciones destinadas a desarrollar sistemas de almacenamiento avanzados que den respuesta a las necesidades de integración masiva de tecnologías de generación renovable en la red eléctrica. A través de un Plan Estratégico de Colaboración, la iniciativa ALMAGRID está orientada a desarrollar soluciones y aportar valor a la industria española en el ámbito del almacenamiento de energía de forma que se incremente su competitividad y posicionamiento en el sector. Desde una situación inicial de excelencias individuales, ALMAGRID contempla un escenario final de excelencia reforzada y de esfuerzos coordinados que maximice el impacto de los resultados generados en la industria española y posicione a la red como una referencia en el sector. Todo ello bajo el lema: “Juntos hacemos más, mejor, y llegamos más lejos”.
Palabras clave
Materiales activos, Membranas poliméricas, Almacenamiento de Energía, Baterías Li-ion, Baterías Zinc-aire, Baterías de Flujo, Redes Eléctricas, Smart grids
Introducción
La integración de energía renovable en la red eléctrica resulta vital en el contexto energético actual para contrarrestar el cambio climático y reducir la dependencia de las importaciones de energía. La Comisión Europea (CE) ha presentado recientemente el ‘EU Green Deal’ que incluye una serie de acciones para impulsar el uso eficiente de los recursos que abarcan todos los sectores de la economía haciendo hincapié en aquellos que producen más emisiones, como el transporte, el sector energético o la industria (European Commission, 2019. A European Green Deal: Striving to be the first climate-neutral continent. [28 Sep 2020]). La CE pretende rebajar las emisiones en un 50% o un 55% para el año 2030 como hito intermedio, en el camino hacia el objetivo de Europa sea el primer continente con cero emisiones para 2050. La producción y el uso de energía suponen más del 75 % de las emisiones de efecto invernadero de la Unión Europea (UE), por lo que resulta prioritario descarbonizar este sector y priorizar el uso de energías renovables gracias a la modernización de infraestructuras y la eficiencia energética.
Por su parte, en línea con la estrategia de la CE, el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030 establece los objetivos, políticas y medidas a seguir durante los próximos años, con la meta 2050 de neutralidad de carbono en la UE (PNIEC, 2020. Borrador actualizado del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030. Madrid. Ministerio para la Transición Ecológica y Reto Demográfico). La consecución de los objetivos planteados transformará el sistema energético español gracias al aprovechamiento de manera eficiente del potencial renovable, particularmente, el solar y el eólico. En este proceso de transición energética, el primer reto que debe resolverse es la variabilidad de tales recursos. Pero existen otros retos con implicaciones considerables cuando la cuota de renovables es muy elevada relacionada con inconvenientes técnicos intrínsecos a la naturaleza de las tecnologías. Por lo tanto, el éxito de la transición energética dependerá de nuevos desarrollos tecnológicos que doten al sistema eléctrico basado en fuentes renovables de las capacidades de gestionabilidad y flexibilidad de las fuentes convencionales.
El almacenamiento de energía en baterías se identifica como un factor clave para facilitar la integración de mayores volúmenes de energía renovable en el sector energético y contribuir en este sentido (BATTERY 2030+ Roadmap, 2020, Inventing the Sustainable Batteries of the Future, Research Needs and Future Actions). Las necesidades identificadas en el sector del almacenamiento de energía, desde los integradores hasta los usuarios finales se relacionan con la búsqueda de sistemas de alta durabilidad, seguridad, bajo coste y sostenibilidad medioambiental, lo que se traduce en diseños flexibles de celda y electroquímica a la carta, desarrollo de electrodos libres de materiales tóxicos y reducción de coste a través del aumento de la velocidad de producción y minimizando rechazos y consumo de energía. La actividad del proyecto ALMAGRID, se encuentra plenamente alineada tanto con la estrategia general europea, como con las acciones requeridas para responder a las necesidades del sector.
Proyecto Almagrid
La iniciativa estratégica ALMAGRID, reconocida por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) como Red de Excelencia Cervera, se articula en torno a cuatro centros de investigación tecnológica con un alto grado de especialización y excelencia en el sector de la Energía. Estos centros son CIDETEC Energy Storage, que actúa como coordinador, TEKNIKER, ITE y CIRCE.
El objetivo general de la Red Cervera ALMAGRID es contribuir a la consecución de los retos planteados mediante desarrollos tecnológicos y de mercado, relacionados con tecnologías de almacenamiento eléctrico que permitan asegurar el requerido nivel de flexibilidad para la distribución y transmisión de la electricidad. Asimismo, la Red ALMAGRID persigue unos objetivos de fortalecimiento de las capacidades de I+D de las tecnologías de los centros al servicio de la industria, así como el incremento de la capacidad de colaboración y de transferencia de resultados a las empresas españolas. Dentro de los objetivos de posicionamiento tecnológico, se desarrollarán materiales, componentes y sistemas de almacenamiento optimizados para suministrar una serie de servicios de red estratégicos que alivien el impacto de las tecnologías renovables variables e intermitentes. Esta estrategia se ve reforzada por actividades complementarias de formación de personas, de internacionalización, de forma que se maximicen los impactos de la actividad, tal y como se ilustra en la Figura 1.
Metodología
El extenso conocimiento de los integrantes de la Red ALMAGRID a lo largo de la cadena de valor de tecnologías de almacenamiento de energía en baterías y sobre el sector eléctrico será puesto en común para aprovechar las sinergias y complementarse entre ellos. Por lo que se refiere al enfoque temático, la especialización de los cuatros centro tecnologico se presenta resumida en la Tabla I.
ALMAGRID refuerza esta generación de tecnología desde dos frentes en la cadena de valor, que de manera simplificada podemos reducir a “Materiales à Tecnologías de almacenamiento à Aplicaciones de red”, tal y como se observa en la Figura 2. La propuesta ALMAGRID gira en torno a un eje de desarrollo tecnológico reforzado por una serie de actividades complementarias necesarias para apuntalar la estrategia. Por ello, se ha planteado un diagrama de flujo circular, donde todas las líneas de actividad están abiertas de manera permanente
Resultados explotables
El proyecto gira en torno a un eje de desarrollo tecnológico en el que se han identificado y descrito varios resultados explotables relacionados con las tecnologías de almacenamiento eléctrico que permitan asegurar el requerido nivel de flexibilidad para la distribución y transmisión de la electricidad. En esta sección se describen dichos activos en el que se incluye la descripción, ventajas principales de la tecnología y su valor diferencial en el proyecto ALMAGRID.
Batería de Zn-Aire recargable con componentes avanzados y nuevo diseño estructural
Se trata de un nuevo diseño estructural de celda Zn-Aire que permite aumentar la reversibilidad de la tecnología. Actualmente no existen en el mercado baterías comerciales de Zinc Aire eléctricamente recargables, como consecuencia de la baja reversibilidad del sistema. El desarrollo propuesto permitiría mejorar de forma considerable la reversibilidad / durabilidad de la batería y permitiría la introducción de esta tecnología en el mercado como competencia de las baterías de plomo ácido actuales.
Desarrollo de separadores microporosos para las baterías de Zn-Aire
Desarrollo de separadores microporosos a la carta (síntesis, caracterización físico-química y electroquímica de los componentes) para ser usados en baterías Zn-aire avanzadas. Se partirá de polímeros basados en sulfonas y/o fluorados y agentes porógenos de diferente naturaleza para obtener membranas con tamaños de poro y superficies adecuadas frente a las especies de interés.
Materiales mejorados para baterías de Litio-ion de Alto voltaje
Componentes de baterías de Li-ion de alto voltaje, separadores y ánodos Silicio/Carbono (Si/C), diseñados a la carta para evitar procesos de “leaching” de Mn y cambio de volumen en el silicio (problemas en componente actuales, respectivamente), y den lugar a un aumento de la ciclabilidad de este tipo de baterías (15%). En el caso de los ánodos de Si/C, los materiales de carbono se obtendrán a partir de biomasa, aumentando así la sostenibilidad del componente y, por tanto, en la batería global (5%).
Desarrollo de membranas a la carta para ser usadas en baterías flujo redox avanzadas
Desarrollo de membranas a la carta para ser usadas en baterías flujo redox avanzadas. Se partirá de polímeros a funcionalizar de manera selectiva y ajustada al electrolito novedoso centrado en un polímero base de bajo coste. Se persigue la mejora de prestaciones de las baterías (elevada eficiencia a largo de los ciclos) mediante el control del crossover además de valorar el uso de polímeros que mejoren en sostenibilidad.
Desarrollo del electrodo de aire bifuncional multicapa para baterías de Metal-aire recargables
Desarrollo del electrodo de aire bifuncional multicapa para baterías de Metal-aire recargables. Con este diseño de electrodo, es posible incluir en cada capa los materiales y concentraciones óptimos para controlar distintos parámetros tales como la porosidad, mojabilidad, etc. del electrodo bifuncional de aire. En este sentido, sería posible obtener una mejor respuesta electroquímica de la tecnología hacia la búsqueda de un electrodo de aire que permita mejorar la densidad de potencia de los prototipos actuales de baterías de Zinc-Aire eléctricamente recargables.
Formulación de un nuevo electrolito para baterías de flujo redox en base agua y polioxometalatos
Formulación de un nuevo electrolito para baterías de flujo redox en base agua y polioxometalatos (especies redox con al menos cuatro estados de oxidación) como alternativa a la química del vanadio, con el objetivo de aumentar la eficiencia, la sostenibilidad y la seguridad a la vez de reducir el coste del almacenamiento energético.
Discusión y conclusiones
La industria española del sector eléctrico se enfrenta a múltiples retos a nivel de generación, transporte y distribución, debiendo tomar las medidas necesarias para cumplir con las directivas europeas de implantación de energías renovables, y como tecnología facilitadora clave, de soluciones de almacenamiento de energía punteras y competitivas.
Por otro lado, y según se muestra en el PNIEC 2021-2030, la transición energética en España permitirá la generación de empleo y movilizará inversión pública y privada además de impactar de forma positiva en la salud por la mejora de la calidad del aire. El plan estratégico que aborda ALMAGRID contribuirá a la superación de los retos actuales que enfrenta la transición energética y por lo tanto impactará de forma positiva en dichos aspectos.
ALMAGRID surge con el objetivo general de contribuir a la consecución de los retos planteados mediante desarrollos tecnológicos y de mercado, relacionados con tecnologías de almacenamiento eléctrico que permitan asegurar el requerido nivel de flexibilidad para la distribución y transmisión de la electricidad.
Agradecimientos
Los autores quieren expresar su agradecimiento a los centros CIDETEC Energy Storage, Tekniker, ITE y CIRCE acreditados como “Centro de Excelencia Cervera” en relación con el “Desarrollo y optimización de componentes y sistemas de acumulación energética” recibiendo una ayuda para la Integración de Tecnologías Avanzadas de Almacenamiento de Energía para Aplicaciones de Red (ALMAGRID)” (Expte: CER-20191006) a través del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) dependiente del Ministerio de Ciencia e Innovación.