Baterías de Calor Madurando Rápidamente Sin Necesidad de Minar Metales

Se Necesita Almacenamiento de Energía a Gran Escala

Existe una necesidad creciente de sistemas de baterías que puedan almacenar una gran cantidad de energía durante varias horas o días. Esto se debe a que la energía solar y eólica es intermitente, fluctuando a lo largo del día y de un día a otro.

Otro factor es la demanda energética de procesos industriales, como la metalurgia. Estas fábricas necesitan energía 24/7, generalmente para generar mucho calor en el rango de 1.000-1.500 °C.

Utilizar baterías de iones de litio como las de los vehículos eléctricos probablemente no sea una solución viable a gran escala. Simplemente son demasiado caras, no lo suficientemente duraderas y consumen demasiadas materias primas.

Por eso se han considerado muchas químicas de baterías alternativas para el almacenamiento de energía a escala de servicios públicos. Analizamos la mayoría de estas opciones en nuestro artículo “El Futuro del Almacenamiento de Energía – Baterías a Escala de Servicios Públicos“, incluyendo fosfato de hierro y litio, sodio‑ión, flujo redox, hierro‑aire, metal fundido, níquel‑hidrógeno, sodio‑azufre, etc.

Todas estas baterías almacenan energía en forma de electricidad de una forma u otra, generalmente mediante la oxidación y reducción de un metal.

El problema es que incluso metales muy comunes como el hierro o el aluminio seguirían requiriendo una gran cantidad de minería. Entonces, ¿qué pasaría si almacenáramos energía en otra forma?

Almacenamiento de Calor

Existe un sorprendentemente gran número de opciones para almacenar energía sin usar la electricidad como medio de almacenamiento. Las analizamos con más detalle en “Alternativas No Químicas a las Baterías para la Transición Energética“. Estas opciones incluyen:

• Aire comprimido.
• Baterías gravitacionales (rocas, hidroeléctrica bombeada).
• Baterías de calor.
• Volantes de inercia.
• Solar térmico.

Cada una de estas opciones, tanto baterías como no baterías, tiene ventajas y desventajas. La solución ideal de almacenamiento de energía cumpliría con algunas características:

• No necesita metales ni materiales raros.
• Almacenamiento de energía de larga duración.
• Bajo costo.
• Fácilmente escalable sin limitaciones de sitios o recursos disponibles.
• Puede usarse como electricidad con pérdidas mínimas.

Para los primeros 4/5 ítems, el almacenamiento de calor cumpliría con los requisitos. Las baterías de arena, como las de la empresa finlandesa Polar Night Energy, pueden almacenar el exceso de energía del verano para el invierno, algo esencial para alimentar con energías renovables los sistemas de calefacción en los inviernos gélidos y sin sol del Norte. Además, solo utilizan arena de baja calidad y un poco de metal para el marco y la tubería.

Fuente: Polar Night Energy

Una batería de calor similar es concebida por Rondo Energy, con ladrillos que pueden calentarse hasta 1500 °C, utilizando el calor para procesos industriales como la producción de cemento o acero.

Estas baterías de calor funcionan bien cuando el producto deseado se calienta en primer lugar, ya sea calefacción distrital para apartamentos o calor industrial.

Fuente: Rondo Energy

Sin embargo, se pensaba que las baterías de calor no eran adecuadas para proporcionar energía a la red, ya que la eficiencia de convertir el calor de nuevo en electricidad suele estar en el rango bajo del 20‑30 %. Esto significaría que hasta 4/5 partes de la energía “almacenada” se pierden realmente. O, dicho de otra manera, la energía almacenada es repentinamente 5 veces más cara que cuando se produjo.

Incluso con la energía solar ahora a la par de la energía de combustibles fósiles, todavía está lejos de ser cinco veces más barata. Sin embargo, este problema podría ser solo temporal, con la innovación en una tecnología llamada termofotovoltaica.

Células Termofotovoltaicas – Fotovoltaica, Pero Con Calor

La termofotovoltaica es la idea de generar energía de manera similar a la fotovoltaica tradicional, pero con calor en lugar de luz solar —o, más precisamente, luz infrarroja emitida por materiales calentados.

En un panel fotovoltaico tradicional, cualquier frecuencia de luz por debajo de un cierto umbral no tiene suficiente energía para crear una corriente y se desperdicia. Esto ocurre con toda la luz infrarroja, ya que las ondas electromagnéticas infrarrojas son demasiado bajas en energía.

No es una tecnología nueva en sí, pero siempre ha sufrido de un nivel de eficiencia demasiado bajo para ser adoptada ampliamente. Esto fue así hasta el reciente logro de investigadores de la Universidad de Michigan, que publicaron sus resultados en una publicación científica titulada “Células termofotovoltaicas de puente de aire de alta eficiencia“.

Aseguran haber alcanzado una eficiencia récord del 44 % para temperaturas por debajo de 1.500 °C, lo cual es mucho más alto que los resultados anteriores, que solo alcanzaron el 37 %.

Y los investigadores creen que tienen una forma de alcanzar el 50 % “en un futuro no muy lejano”.

Fuente: Cell

¿Cómo Funcionan las Células Termofotovoltaicas?

Primero, el material de almacenamiento, que puede ser piedra, arena, carbono, ladrillos, cerámica, etc., debe calentarse, ya sea con exceso de electricidad de fuentes renovables o con calor solar directo.

A 1.435 °C, aproximadamente el 20‑30 % de los fotones infrarrojos que emitirá tienen suficiente energía para generar electricidad en las células termofotovoltaicas del equipo de investigadores.

Fuente: Design Boom

Las demás frecuencias infrarrojas no podían convertirse en electricidad con el semiconductor utilizado en el panel termofotovoltaico.

Entonces, ¿cómo llegaron al 44 % desde allí? El ingenioso “truco” consistió en añadir una fina capa de aire a la célula termofotovoltaica justo más allá del semiconductor y un reflector de oro más allá del espacio de aire.

Esto mantuvo atrapados los fotones con el nivel de energía adecuado, listos para producir electricidad. Los demás se enviaban de vuelta al material calentado, re-calentándolo. Luego podrían tener otra oportunidad de ser dirigidos hacia la célula termofotovoltaica con la frecuencia de luz correcta.

Esencialmente, permite que la célula recicle lo que no captó la primera vez, aumentando la eficiencia de conversión global.

Futuras Baterías de Calor

Una eficiencia del 44 % o incluso del 50 % podría no parecer tan impresionante en comparación con la hidroeléctrica bombeada (70‑85 %) o las baterías de iones de litio (85‑95 %).

Fuente: EESI

Pero esto ignoraría que el despliegue masivo del almacenamiento de energía a escala de servicios públicos tiene tanto que ver con la economía como con la tecnología.

Las baterías tienen una vida útil medida en años antes de necesitar reciclaje. Además, simplemente no hay suficiente litio y aún menos cobre, níquel o cobalto para desplegarlas a esa escala, especialmente cuando la mayor parte de esta producción de metales ya se requiere para los vehículos eléctricos.

En contraste, las baterías de calor pueden durar décadas con poco o ningún mantenimiento necesario. Requieren casi ningún material más allá de roca, arena o arcilla. Pueden construirse en cualquier lugar y de cualquier tamaño, incluso verdaderamente gigantescas, con casi ningún efecto sobre los ecosistemas, a diferencia de la hidroeléctrica.

Por último, el calor es uno de los métodos más eficientes cuando la energía necesita almacenarse durante semanas y meses, con prácticamente todos los tipos de baterías “filtrando” energía con el tiempo a una tasa mucho mayor que un sistema de almacenamiento de calor bien aislado.

“Es una forma de batería, pero una muy pasiva. No tienes que extraer litio como lo haces con las celdas electroquímicas, lo que significa que no tienes que competir con el mercado de vehículos eléctricos.

A diferencia del agua bombeada para el almacenamiento hidroeléctrico, puedes colocarla en cualquier lugar y no necesitas una fuente de agua cercana,

Stephen Forrest, Profesor Universitario de Ingeniería Eléctrica en U‑M

Así que, en general, una batería de calor puede ser la solución perfecta de almacenamiento de energía para suavizar la intermitencia de las renovables. E incluso almacenar el exceso de energía de los meses ventosos o soleados para el invierno en climas templados, o para la temporada de lluvias en climas tropicales.

Almacenamiento de Calor / Empresas Termofotovoltaicas

1. II-VI Marlow / Coherent

II-VI (COHR ) Marlow es una rama de II-VI Inc., líder de la industria en el (actualmente bastante pequeño) campo de producción de células termofotovoltaicas. En 2022, II-VI Inc. adquirió al fabricante de láseres Coherent Inc. (COHR ) y posteriormente cambió su nombre comercial.

La empresa es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio. Creció en gran medida gracias a múltiples adquisiciones durante la última década.

Fuente: Coherent

La actividad termofotovoltaica de la empresa es solo una pequeña parte de sus ingresos totales, ya que la fibra óptica, los láseres y otros productos constituyen la mayor parte de sus ingresos. Sin embargo, esto podría ser una buena noticia para los inversores, ya que también significa que tiene el capital para desplegar rápidamente nueva tecnología a escala industrial si la innovación abre nuevos mercados.

Fuente: Coherent

Por ejemplo, el enorme mercado del almacenamiento a escala de servicios públicos para el exceso de energía renovable…

Como la Universidad de Michigan ha “solicitado protección de patente (…) y está buscando socios para llevar la tecnología al mercado“, no sería sorprendente que una empresa como Coherent terminara siendo la que lleve las nuevas células termofotovoltaicas al mercado. Especialmente considerando su experiencia previa en la producción industrial de termofotovoltaicos y materiales avanzados similares.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Las células termofotovoltaicas utilizadas por los investigadores de la Universidad de Michigan fueron fabricadas con InGaAsP (fosfuro de indio, galio y arsénico).

“Así que investigamos si traducir la arquitectura de puente de aire de absorbentes ternarios a cuaternarios del grupo III‑V (InGaAsP con coincidencia de red a sustratos de InP) puede mejorar la eficiencia dentro del rango objetivo de temperaturas del emisor.”

Si esta tecnología se convierte en un formato estándar para el almacenamiento de energía a escala de servicios públicos, necesitaremos InGaAsP, y mucho de él.

Por lo tanto, tendría sentido en este escenario apostar por la empresa que ha permanecido durante 30 años como líder en la producción de InGaAsP, el conglomerado japonés Sumitomo.

Durante más de 30 años, la División de Semiconductores de Sumitomo Electric ha mantenido su posición de liderazgo como el mayor fabricante mundial de arseniuro de galio (GaAs) e indio fosfuro (InP).

El nombre Sumitomo se ha convertido en sinónimo de calidad en materiales III‑V. Sumitomo Electric logró esta reputación al proporcionar a sus clientes globales sustratos de calidad superior que resultan en mayores rendimientos y dispositivos con características eléctricas consistentes.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries, y su departamento de semiconductores compuestos, es la rama del mayor conglomerado Sumitomo, uno de los mayores sōgō shōsha (compañías comerciales generales) del mundo.

Además de InGaAsP, la principal actividad de Sumitomo Electric Industries es la producción de:

• Equipos de telecomunicaciones (fibra óptica, 5G)
• Cableado automotriz y cables de alta potencia
• Electrónica (circuitos impresos flexibles, cables de datos, membranas de filtración)
• Materiales de alta calidad (carburo, herramientas de corte, alambre de acero pretensado).

Fuente: Sumitomo

La experiencia en la producción masiva de materiales de alta calidad, el liderazgo en la producción de InGaAsP y las conexiones comerciales que conlleva ser parte de un sōgō shōsha / compañía comercial general deberían garantizar que Sumitomo Electric Industries será uno de los principales beneficiarios de una adopción masiva de la termofotovoltaica.

El crecimiento también debería ser favorable para las telecomunicaciones (digitalización, IA) y los productos afines a los vehículos eléctricos (cables, cableado), que son ambos sectores en auge.