Almacenamiento de Energía. Baterías Antonio J. Fernández Romero Área de Química Física Campus de Alfonso XIII. Aulario General II Email: [email protected] •Sistemas de Almacenamiento de Energía Eléctrica •Demanda Eléctrica Curva amarilla. Representa la demanda real. Curva verde. Representa la previsión de la demanda. Curva roja. Representa la producción programada Horas Valle Horas Punta •Demanda Eléctrica Horas Valle Horas Punta Los ESSs permiten establecer un equilibrio entre la producción y demanda de energía Beneficios del Almacenamiento de Energía • Regulación de la Relación entre Oferta y Demanda • Almacenamiento de Energía en Horas Valle y Producción en Horas Punta • Reducimos el consumo de combustibles fósiles (no reciclables, no eternos, contaminantes) • Facilita la introducción de más Energías limpias • Ayuda a la Estabilidad de la Red Eléctrica Sistemas de Almacenamiento de Energía Eléctrica •Central Hidroeléctrica Reversible Restat illud quod a nemine animaduersum esse uideo: nomina propria hominum, urbium, fluuiorum, montium, cetera huiusmodi genus grammaticum habere non posse, nam, ut saepe monuimus, si non esse adiectiua nomina, genus apud grammaticos locum non haberet. Si enim dicas reuereor patrem, ne laedas hominem, exclude canem, non refert cuias generis sit interrogare, nisi addendam sit adiectiau. Hinc iam patebit genus in illis nominibas Non esse quaerendum, quae adiectiuis coniungi non possunt, qualia sunt ego, tu, sui, et hominum et deorum nomina propria, ut ego sum hispanus, scilicet homo; uide in ellipsi homo; magna Tarentum, scilicet urbs; uide ellipsin urbs, arbor, fluuius, mensis, etc. Central Hidroeléctrica Reversible La Muela II. Cortes de Pallás (Valencia) Riverbank Power: Almacena la energía eólica producida por la noche: bombea agua a la superficie LaunchPoint Technologies: Se eleva una gran pesa bombeando agua hacia abajo Sistema fotovoltaico para bombeo directo en flotación sobre embalse de riego TFM de Angel Turpin Ramos (UPCT) Energía Química. Hidrógeno •Condensadores/Supercondensadores •¿Cómo funcionan las Baterías? •Energía Química ↔ Energía Eléctrica e e Ánodo + Zn Zn++ Zn++ SO4= | | e Cátodo Cu Cátodo + Zn Cu++ Zn++ Cu++ SO4= e Zn++ SO4= Descarga ++++ - Cu + 2e Cu + 2e (ac) (ac) ++++ Zn + Cu Zn (ac) (s)(s)+ Cu (ac) Cu Cu++ Cu++ SO4= Recarga Zn(s) Zn (s) Ánodo ++ -Zn + 2e Zn++(ac + 2e ) (ac ) Cu Cu(s) (s) ++++ Zn Cu Zn (ac) ++Cu (ac) (s)(s) Precisamos Eº (Zn-Cu)= 1.10 V Descarga con Potencial Constante Electrodo Negativo Fácilmente Oxidable Electrodo Positivo Fácilmente Reducible Pieter van Musschenbroek (1692-1761) Botella de Leiden (Condensador): recipiente de cristal recubierto por metal en su interior y exterior. B. Franklin usó en 1752 una botella de este tipo en su famoso experimento para demostrar la relación rayo-electricidad. Luigi Galvani (1737-1798) Uniendo con un conductor metálico los nervios lumbares con los músculos crurales en una anca de rana muerta recientemente, se producen convulsiones Galvani: Electricidad Animal. Las convulsiones se deben a la electricidad almacenada o producida en los músculos de la rana: similar a un condensador. Alessandro Volta (1745-1827) Dircrepa con Galvani. El movimiento del músculo se debía a un estímulo externo: electricidad causada por conectar dos metales: latón e hierro. Pila de Volta (Presentada en la Royal Society en 1800) Alessandro Volta (1745-1827) Dircrepa con Galvani. El movimiento del músculo se debía a un estímulo externo: electricidad causada por conectar dos metales: latón e hierro. Electricidad debida a interacción entre dos metales distintos Pila de Volta (Presentada en la Royal Society en 1800) Alessandro Volta (1745-1827) Fabroni: La electricidad en la pila, se debe a la acción química del agua acidulada, cuyo líquido ha de atacar necesariamente al zinc para que subsista el flujo eléctrico ¿Quién tenía razón? Galvani, la electricidad animal existe. Volta, se crea una diferencia de potencial al poner en contacto dos sustancias heterogéneas Fabroni, Principio de la conservación de la energía Celdas de Concentración Alessandro Volta (1745-1827) Volta realiza una demostración del funcionamiento de su pila a Napoleón. G. Bertini Alessandro Volta (1745-1827) Fresco de Nicola Cianfanelli (1793-1848) pintado en 1841. Museo de Física y Ciencias Naturales. Florencia Alessandro Volta (1745-1827) Sus investigaciones le llevaron hacer una lista de combinaciones de metales ordenadas según el efecto producido: Origen de la Serie Electroquímica Antes sólo se conocía Electricidad estática. Máquinas de fricción. La pila facilitó nuevos avances científicos: se aislan nuevos cuerpos como el potasio y el sodio. Fue la base de los nuevos conocimientos electrodinámicos desarrollados por Oersted, Ohm y Ampére en los años veinte del siglo XIX La Pila de Bagdad ¿Una pila prehistórica? ( aproximadamente del 200 a.C.) Encontrada en 1936 durante una excavación arqueológica. John Daniell (1790-1845) La pila de Volta se descargaba rápidamente · 1836 Celda de Daniell Se considera la primera batería con uso práctico real y fiable. Se usó para hacer funcionar el telégrafo John Daniell (1790-1845) Separa ambas disoluciones mediante una membrana porosa: Garganta de Buey. Uso de Membrana: gran avance en el desarrollo de las celdas electroquímicas Permite el paso de iones pero se evitaba la mezcla de las disoluciones. Sir William Robert Grove (1811-1896) Pila de Zn en H2SO4 diluido y Pt en HNO3 concentrado, separados por una membrana. Sir William Robert Grove (1811-1896) La primera Celda de Combustible 1839 El agua se descompone en H2 y O2 al aplicarle una corriente eléctrica. Voltaje de 0.6 V En 1842 Grove conectó 50 de estas pilas en serie y consiguió un voltaje de 25-30 V Graves problemas de corrosión Georges Leclanché (1839-1882) Pila de Leclanché (1866) Georges Leclanché (1839-1882) Se ha perfeccionado por las aportaciones de muchos científicos: · Zinc como contenedor y electrodo a la vez. · Pila Seca (Gassner en 1887 presentó una patente en la que describía una pasta usada como electrolito y compuesta por disolución de NH4Cl+ZnO+ yeso). · Amalgama de Zn-Hg evita pasivación debido a las impurezas que tiene el MnO2. · Mismo efecto se logra usando materiales extremadamente puros. Gran avance en 1940 al obtener el MnO2 mediante electrólisis. · En 1940 el zinc se recubrió de una película de acero. · En 1960 uso del ZnCl2 como único electrolito, con lo que se mejoró enormemente el problema de las fugas del electrolito. Georges Leclanché (1839-1882) · Uso de un electrolito alcalino (rico en KOH el 30%) ha supuesto un gran avance en la mejora de capacidad, almacenamiento y comportamiento a baja temperatura. · Uso de polvo de Zn como ánodo, lo que produce una mayor área superficial permitiendo mayores densidades de corriente en tamaños menores. Producción de de pilas de Leclanché: · En 1868 ≈ 20.000 pilas · En 1918 varios millones (1.000.000) · Actualidad varios miles de millones (1.000.000.000) Georges Leclanché (1839-1882) Gaston Planté (1834-1889) Primer prototipo de una celda secundaria o recargable (1859) Gaston Planté (1834-1889) Pb(s) + PbO2(s) + 4 H+(ac) + 2SO4=(ac) 2PbSO4(s) + 2H2O E=2 V Gaston Planté (1834-1889) · En 1881 Camile Fauré recubrió los electrodos de plomo con una pasta de dióxido de plomo y ácido sulfúrico. Aumenta la capacidad y disminuye el tiempo de producción de los electrodos. · En 1883 Tudor desarrolló las placas de gran superficie de Pb puro. Batería de Automóviles suele llevar 6 pilas conectadas en serie produciendo 12 V. Wadelmar Jungner (1869-1924) Batería Recargable Alcalina de Ni-Cd (1900) Thomas Edison (1847-1931) Edison inspecciona un coche eléctrico Hacia 1890. Coches Eléctricos. El automóvil de gasolina aún no se fabricaba Problemas con la Batería de Plomo: Muy pesadas y Baja vida media Batería Ni-Fe en 1903. Se comienza a producir entre 1905 y 1908. En 1909 se presenta el Ford T con motor de gasolina. Baterías de Litio Baterías de Litio Baterías de Litio Baterías de Litio Solución: Baterías de Ion-Li Solución: Baterías de Ion-Li Baterías de Litio Premio Nobel de Química 2019 Desarrollo de Baterías de Ion-Litio Stanley Whittingham Univ. Binghamton Batería de Li/TiS2 John B. Goodenough Universidad Texas Electrodos de Intercalación: LiCoO2 Akira Yoshino Universidad de Meijo Batería de Ion-Li C(coque)/LiCoO2 Baterías de Litio-Aire. Comparación del peso de las baterías de Pb-ácido, Li-ion y Li-aire Tipos de Celdas Electroquímicas. Otros Métodos de Almacenamiento de Energía Eléctrica. · Condensadores. · Supercondensadores. · Otros Sistemas de Almacenamiento de Energía · Aire Comprimido. · Central Hidroleléctrica Reversible. · Volante de Inercia.
