Repensar el almacenamiento de energía
Hacia un futuro sostenible con pilas de iones de oxígeno
Alexander Opitz, catedrático de Conversión Electroquímica de la Energía de la Universidad Tecnológica de Viena, investiga cómo pueden utilizarse las baterías de iones de oxígeno como dispositivos innovadores de almacenamiento de energía en el marco de un laboratorio Christian Doppler.
El reto de las energías renovables es que su disponibilidad depende mucho de la hora del día o de las condiciones meteorológicas. La electricidad se produce cuando brilla el sol o sopla el viento. Sin embargo, si la electricidad no se necesita directamente en ese momento, permanece sin utilizar o, en el mejor de los casos, se almacena. Sin embargo, las fluctuaciones provocadas por los picos de producción o utilización también plantean una y otra vez problemas a los productores de electricidad y a los operadores de la red.
En el marco del Laboratorio Christian Doppler (CD) de Baterías de Iones de Oxígeno, un equipo interdisciplinar dirigido por Alexander Opitz (Universidad Tecnológica de Viena) colabora actualmente con la empresa energética VERBUND en soluciones innovadoras de almacenamiento. Las baterías de iones de oxígeno se caracterizan por una producción que ahorra recursos, bajos costes de producción y un alto nivel de seguridad de aplicación. El Laboratorio CD, financiado por el Ministerio Federal de Economía, Energía y Turismo, se inauguró oficialmente el 22 de abril de 2025.
El Ministro de Economía, Wolfgang Hattmannsdorfer, subraya la relevancia de la investigación: "Los retos del futuro sólo pueden superarse con nuevos conocimientos e ideas frescas. Los sistemas innovadores de almacenamiento de electricidad desempeñan un papel fundamental en este sentido. El laboratorio de CD contribuye a ello con su investigación básica sobre baterías de iones de oxígeno seguras y que ahorran recursos. Esto no sólo refuerza nuestro suministro energético, sino también a Austria como centro de la ciencia. Es especialmente importante que nos centremos en los puntos fuertes de Austria: diligencia, inventiva y un alto nivel de conocimientos científicos. Deseo a Alexander Opitz y a su equipo mucho éxito en esta importante tarea".
Una fina película cerámica con la forma del logotipo de TU Wien impresa por inyección de tinta sobre un monocristal de electrolito de óxido. La impresión por chorro de tinta es uno de los métodos investigados en este laboratorio de DC para la producción rentable y escalable de películas finas cerámicas para baterías de iones de oxígeno.
© TUW/Matthias Heisler
La cerámica cambia las reglas del juego
A diferencia de las pilas convencionales, las baterías de iones de oxígeno no necesitan los elementos críticos litio o cobalto. En su lugar, se utilizan materiales cerámicos abundantes, lo que reduce las dependencias geopolíticas. Además, las baterías de iones de oxígeno no son inflamables ni tóxicas. La inflamabilidad de los tipos de baterías actualmente disponibles (como las de sodio-azufre o las de iones de litio) es un punto especialmente conflictivo para los sistemas de almacenamiento a gran escala. Mientras que las baterías de litio se desarrollaron específicamente para su uso móvil y tienen que cumplir los requisitos correspondientes, como un peso reducido, los sistemas de almacenamiento para uso estacionario pueden desvincularse de estos requisitos. Esto es especialmente importante para proveedores de energía como VERBUND, que suministran gran parte de su energía a partir de fuentes renovables y quieren utilizar baterías estacionarias a gran escala para trasladar la energía eléctrica de los momentos de mayor producción a los de mayor demanda.
La idea de utilizar materiales cerámicos para baterías surgió más bien por casualidad, recuerda Alexander Opitz, director del laboratorio de CD: "Sólo cuando cambiamos nuestra perspectiva sobre el material que estábamos investigando en realidad para aplicaciones de pilas de combustible y electrólisis nos dimos cuenta de que, en determinadas condiciones, nuestros materiales cerámicos pueden tener una capacidad similar a la de los materiales convencionales para baterías de iones de litio. En otras palabras, pueden almacenar una cantidad similar de energía".
Transporte de carga a través de iones de oxígeno
Las pilas de iones de oxígeno funcionan llenando los espacios vacíos del material del electrodo de almacenamiento con iones de oxígeno. Sin embargo, el oxígeno no se intercambia con la atmósfera, sino que va y viene entre los dos electrodos de almacenamiento de la pila en forma de iones de óxido.
Para que la nueva tecnología funcione, debe estar aislada del aire ambiente y funcionar a temperaturas de 300 a 500 °C. Esta temperatura es necesaria para que los iones de oxígeno puedan almacenar energía. Esta temperatura es necesaria para que los iones de oxígeno de los materiales cerámicos utilizados tengan suficiente movilidad y puedan pasar de un electrodo a otro. Si se cumplen estas condiciones, todo el proceso es completamente reversible, es decir, los iones de oxígeno que se movieron del electrodo negativo al positivo cuando se cargó la pila pueden volver a moverse cuando se descargue. En teoría, este proceso puede repetirse tantas veces como sea necesario.
Para su uso como batería de almacenamiento estacionaria, que desplaza los picos de producción del mediodía de la energía fotovoltaica a las horas de la tarde, por ejemplo, esta "migración de ida y vuelta" de los iones de oxígeno entre los dos electrodos de almacenamiento de la célula tendría que producirse una vez al día.
Michael Strugl, Director General de VERBUND, añade: "La transformación energética es uno de los mayores retos de nuestro tiempo. Requiere no sólo nuevas tecnologías, sino sobre todo una investigación continua e intensiva. Colaborando con la comunidad científica, por ejemplo en el marco del Laboratorio Christian Doppler, podemos ayudar a que innovaciones como la pila de iones de oxígeno sean comercializables más rápidamente y contribuir así a resolver el problema del almacenamiento de energía."
Si no se puede almacenar la energía, la producción de las centrales eléctricas debe reducirse deliberadamente para no sobrecargar las redes eléctricas. Esto hace que se pierda una valiosa energía que se necesitaría con urgencia más adelante. Por lo tanto, los nuevos tipos de almacenamiento de electricidad son de gran importancia para la expansión de las energías renovables.
La motivación de TU Wien y VERBUND es, por lo tanto, grande para crear la base científica para desarrollar baterías de iones de oxígeno en una poderosa alternativa a las tecnologías de baterías existentes que sea fácil de fabricar y escalar. Además de los sistemas de almacenamiento a gran escala para los productores de electricidad y los propios operadores de la red, también sería concebible su uso para sistemas de almacenamiento doméstico.
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