Más energía de la que podemos guardar

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En las últimas semanas hemos hablado sobre el crecimiento que ha habido recientemente en fuentes renovables y la electrificación de nuestros medios de transporte. Los avances tecnológicos, aprovechados por gobiernos, empresas y start-ups, han resignificado la manera que tenemos de pensar en cómo consumimos energía y de dónde viene la energía que consumimos. Sin embargo, mientras que la generación, distribución y gestión de electricidad evolucionan de forma apresurada, las baterías eléctricas, una de las piezas clave en alcanzar independencia energética, sigue sin avanzar adecuadamente.

La química alrededor del funcionamiento de una batería es extremadamente compleja (este video de SciShow explica cómo trabajan y consejos para que las baterías de los celulares duren más). Los procesos involucrados, junto con los retos que existen en comercializar nuevos diseños, provocan que el avance en la tecnología de baterías haya sido lento y frustrante. Esto ha impactado negativamente el progreso energético: mercados como los de autos eléctricos y generación solar distribuida tienen como impedimento la falta de métodos de almacenamiento baratos, eficientes y sustentables.

En el caso de energías renovables, existe el problema de la vida de las baterías. Qué sucede con ellas una vez que terminan su primer ciclo de vida ha sido el interés de muchas empresas, las cuales están comenzando a pensar en reutilizarlas para segundas aplicaciones, e incluso en cómo reciclar sus componentes cuando dejen de ser funcionales. En el caso de vehículos eléctricos, la problemática más grande, desde la perspectiva de los consumidores, es la llamada “ansiedad de rango”, es decir, la incertidumbre de si el automóvil llegará exitosamente a su destino o no. Muchas veces se trata una cuestión de percepción, más que de realidad, pero no por ello no es un problema serio. Los conductores tienden a sobreestimar las distancias que conducen, lo cual incrementa esta ansiedad.

De todas las opciones en el mercado, las baterías de ion de litio siguen siendo consideradas como una de las soluciones más ligeras y eficientes que hay, pero hay límites de qué tanta carga pueden almacenar. Incluso una Powerwall, la batería de ion de litio que ofrece Tesla, pueden energizar un hogar promedio por únicamente seis horas, por un costo de $6,000 USD. Tesla normalmente ofrece esta solución en conjunto con generación solar y en un arreglo de dos o más baterías.

La tecnología de ion de litio también pueden ser peligrosa. Las baterías de este tipo han presentado casos en los que sus electrodos se conectan internamente y se comienzan a calentar. Los electrolitos líquidos típicamente son inflamables, lo cual causa que las baterías exploten. Esto representa un problema real en ambientes de descontrol térmico como accidentes de coches eléctricos. Poco después de su invención en los años 80, causaron suficientes incendios para tener que retirar masivamente el producto del mercado.

Algunas de las soluciones en las que se está trabajando ahora involucran materiales alternativos que aumentan la eficiencia y estabilidad de las baterías. Por ejemplo, se fabrican con nanopartículas de silicio en lugar del grafito más comúnmente utilizado, así como electrolitos sólidos en vez de líquidos. Gene Berdichevsky, CEO de Sila Nanotechnologies en California, piensa que esta tecnología puede llegar al mercado dentro de un par de años. Por otro lado, las baterías de estado sólido han recibido creciente atención en los últimos años debido a su potencial uso en vehículos eléctricos. Estas baterías reemplazan electrodos, electrolitos líquidos, o ambos, por materiales sólidos como cerámica o vidrio. La idea es que las baterías puedan aguantar mayor calor, lo cual significa mayor capacidad.

Sin embargo, ninguno de estas nuevas alternativas han avanzado más allá de pruebas iniciales. Para el desarrollo de baterías, la enorme diferencia entre las condiciones ideales de laboratorio y aquellas experimentadas en una granja solar o un vehículo eléctrico es un problema. Esta es la causa principal de que las baterías de estado sólido no estén por llegar al mercado: El año pasado, Toyota admitió que continúan teniendo problemas desarrollando baterías de estado sólido de alta capacidad. En abril, el vicepresidente de investigación e ingeniería en Nissan declaró que el desarrollo de baterías de este tipo se encuentra “prácticamente en cero, para este punto”.

Si bien las baterías en la forma en que normalmente las conocemos tienen muchos impedimentos todavía, existen casos en los que hemos conseguido almacenar energía eficientemente: Cuando lo hacemos a gran escala. Para almacenar grandes cantidades de electricidad, usualmente resulta demasiado impráctico el conectar baterías tradicionales en serie. Sin embargo, de manera alternativa, ingenieros en todo el mundo han encontrado soluciones basadas en fuerzas y estados físicos tales como temperatura, fricción, gravedad e inercia para guardar energía para usar en otro momento.

En los años 70, se construyó una planta en Huntorf, Alemania con el objetivo de responder a altas demandas de energía, ya que sus generadores operados por carbón no podían encenderse y apagarse rápidamente. Aprovechando depósitos de sal, la empresa bombeó agua para disolver los depósitos y crear dos cavernas a aproximadamente 800 metros bajo tierra. La planta, que opera desde 1978, utiliza electricidad de la red general cuando la demanda es baja (y la electricidad barata) para comprimir aire dentro de las cavernas. Cuando la demanda sube, un motor empuja el aire a la superficie hacia un sistema de combustión, el cual utiliza gas natural para mover turbinas que producen electricidad. Comprimir aire permite entregar más oxígeno a las turbinas, lo cual hace que sean más eficientes.

Una planta similar abrió en 1991 en McIntosh, Alabama y varias compañías en Estados Unidos y Europa han buscado la posibilidad de minar sus depósitos de sal para este propósito desde entonces.

Por otro lado, en el desierto de Tonopah, en Nevada, se encuentra la planta de la empresa Crescent Dunes Solar Energy. Se trata de la primer planta de energía solar a gran escala que utiliza sal a altas temperaturas para extender el uso de su energía a más allá de la puesta de sol. En vez de producir electricidad con paneles fotovoltaicos, la planta tiene más de 10,300 espejos que enfocan el calor del sol a un radiador que derrite millones de galones de sal a 565 ºC. La sal, que puede permanecer en estado líquido por más tiempo que el agua, fluye hacia un sistema de generación a través de vapor que mueve una turbina. Con este método, la planta puede producir suficiente electricidad para 75,000 hogares por hasta 10 horas pasadas el atardecer.

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Planta de energía solar Crescent Dunes. Imagen obtenida de http://www.solarreserve.com/en/global-projects/csp/crescent-dunes

En los años 50, conforme la demanda de electricidad en Gran Bretaña aumentaba, se tuvo la idea de construir dos lagos: uno sobre una colina y otro al pie de esta. Con electricidad en demanda base el agua es bombeada del lago bajo al alto. Luego, cuando la red eléctrica necesita energía, el lago sobre la colina se abre, mandando agua hacia el lago abajo mientras alimenta turbinas hidroeléctricas. Hoy en día el proyecto cuenta con dos estaciones de generación y se conoce como la Electric Mountain.

Una solución similar hace lo mismo con carros de ferrocarril llenos de concreto que suben por una colina con electricidad barata, para luego dejarlos rodar (y generar energía) cuando la electricidad es más cara. La tecnología que utiliza este sistema es similar al frenado re generativo que utilizan vehículos eléctricos comerciales como el Prius. La compañía responsable del proyecto, Advanced Rail Energy Storage o ARES, recientemente obtuvo aprobación del Buró de Manejo de Tierra en California para recrear el sistema a una escala comercial, el cual podrá alcanzar máxima capacidad en 15 segundos y producir suficiente energía para alimentar 14 hogares promedio durante un mes.

Finalmente, en Nueva York, la torre de oficinas 1 Bryant Park utiliza energía barata durante las noches para refrigerar agua mezclada con glicol (un compuesto del anticongelante) más allá de los cero grados. El sistema bombea la mezcla a tubos alrededor de tanques que contienen 750 galones de agua (recolectada por lluvia) en el sótano del edificio. La solución de glicol, a -3 ºC, congela el agua. Al día siguiente, la mezcla es llevada a través de un circuito cerrado de aires acondicionados. Junto con el hielo abajo, el sistema puede enfriar los más de 200,000 metros cuadrados del edificio por más de 10 horas al día.

Las baterías, sean tradicionales o alternativas, funcionan bajo la premisa de mantener algún tipo de diferencial, sea de energía potencial, térmico, químico e incluso económico. Si bien las tecnologías que usamos para alimentar nuestros celulares y vehículos eléctricos todavía son insuficientes, las necesidades de almacenamiento continúan en aumento. Fueron necesidades como estas las que, en su momento, generaron proyectos como Huntorf y Electric Mountain. Idealmente, el desarrollo de baterías será impulsado de la misma manera y veremos opciones más baratas, eficientes y sustentables en el mercado. De no suceder así, nos podríamos encontrar en unos años en la situación de producir cuando no necesitamos y no tener suficientes ahorros en días lluviosos.

 

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