Más energía, menos dióxido de carbono: el enfoque multifacético de la nueva tecnología de baterías hacia la sostenibilidad

¿Batería o captura de carbono? ¿Por qué no ambos?

El impulso hacia la energía verde y la electrificación se motiva principalmente por la necesidad de reducir las emisiones de carbono en el contexto del cambio climático. Sin embargo, la energía solar y eólica son inherentemente intermitentes.

Así, cuanto más energía verde alimenta la red, más baterías a escala de servicios públicos se necesitan para almacenar energía durante la producción máxima y redistribuirla a la red en una fecha posterior. Es probable que las baterías a escala de servicios públicos utilicen químicas muy diferentes a las de los vehículos eléctricos, ya que no operan bajo las mismas limitaciones:

• No se requiere alta densidad o ligereza; las baterías de servicios públicos pueden almacenarse en el suelo en plantas de energía o sitios dedicados.
• Sensibilidad extrema al costo total (construcción + operaciones).
• Necesidad de usar materiales baratos y abundantes para desplegarlos a escala, prescindiendo de metales como cobalto, platino, paladio, etc., (o idealmente incluso del litio).
• Necesidad de una vida útil muy larga sin degradación de capacidad, idealmente en el rango de varias décadas.

Es algo que exploramos previamente en profundidad en nuestro artículo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, donde enumeramos la mayoría de las químicas posibles en desarrollo para esta aplicación.

Todas estas baterías funcionan con el fin de hacer que la energía verde sea más viable económicamente y se adopte ampliamente, lo que reduciría las emisiones de carbono. Sin embargo, ninguna contribuye directamente a reducir emisiones o capturar carbono.

Incluso las llamadas baterías de CO2 volverían a emitir CO2 una vez que la electricidad se descarga.

Esto podría cambiar, gracias a un diseño de batería revolucionario, que podría no solo almacenar energía sino también producir hidrógeno y capturar carbono de forma duradera.

Baterías de captura de carbono

La captura de carbono es la idea de tomar el CO2 normalmente emitido y convertirlo nuevamente en productos útiles. Puedes leer más sobre las diversas tecnologías de captura de carbono en este artículo de Energy Tracker.

Fuente: EnergyTracker

Hasta ahora, dicho proceso era algo que se añadía a los procesos industriales y representaba un costo adicional sin un producto práctico más que la captura de carbono. El proceso en sí no era útil.

Discutimos el estado actual de la captura de carbono con más detalle en nuestro artículo “Top 5 Carbon Capture Stocks To Invest In”.

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge podrían haber encontrado una forma de hacer que la captura de carbono sea una parte integral de la red eléctrica de energía verde y de las baterías asociadas. Publicaron sus hallazgos en el Journal of Power Sources, bajo el título “Origin of deactivation of aqueous Na–CO2 battery and mitigation for long-duration energy storage”.

Concepto previo mejorado

La batería de captura de carbono es una mejora respecto a la batería convencional metal-CO2 que cicla CO2 entrando y saliendo mientras oxida un metal (M), que puede ser sodio (Na), litio (Li) o magnesio (Mg): CO2 ↔ MxCO3.

Un problema recurrente de las baterías metal-CO2 es la deposición de productos de descarga sólidos como M2CO3(s) (M = Li o Na), Al2(C2O4)3(s) o MgCO3(s) sobre la superficie del electrodo, lo que a menudo conduce al obstrucción de la estructura porosa del electrodo.

Esta obstrucción afecta negativamente a la batería, reduciendo rápidamente su capacidad.

Para superar este problema, los investigadores desarrollaron dos baterías potenciales, una basada en sodio y la otra en aluminio, ambos materiales abundantes y de bajo costo.

La batería Na-CO2 se basa en un catalizador de hierro-níquel, que es mucho más barato que la mayoría de los catalizadores de la industria.

A diferencia de los diseños anteriores, la nueva batería de CO2 no libera CO2 en forma gaseosa, sino que el subproducto carbonato se disuelve en el electrolito líquido.

Estos carbonatos pueden luego mantenerse dentro de la batería o recogerse cuando se acumulan y precipitan en forma sólida. La industria farmacéutica o del cemento puede entonces utilizarlos.

Los únicos gases liberados son oxígeno e hidrógeno, que no contribuyen al cambio climático e incluso pueden capturarse para producir energía o combustible.

Fuente: Oak Ridge National Laboratory

Superando los desafíos de ingeniería

Esta idea parece tan impresionante que podría sorprender que no se haya realizado antes.

La razón es que llevarla a la práctica tuvo que superar algunos problemas técnicos.

Primero, los electrodos deben estar separados en cámaras húmedas y secas con un conductor iónico sólido entre ellos. El conductor ralentizaba el movimiento de electrones, reduciendo la eficiencia de la batería.

En segundo lugar, este tipo de batería Na-CO2 no es inmune al problema de la batería de CO2 de depósito de película en el electrodo. Sin embargo, los investigadores descubrieron, usando microscopios y máquinas de rayos X muy avanzados, que los pulsos de carga‑descarga irregulares evitaban la acumulación de película en el electrodo.

“Informamos por primera vez que la celda desactivada puede reactivarse.

Y descubrimos el origen de la desactivación y activación. Si cargas‑descargas la batería de forma simétrica durante demasiado tiempo, muere en una etapa. Si utilizas el protocolo que establecimos para nuestra celda, la probabilidad de falla es muy baja.

Ruhul Amin – el investigador principal del proyecto

Quizás aún más impresionante, estas baterías pueden capturar el CO2 utilizando la energía almacenada, no solo cuando la producción de energía renovable está en pico, lo que les brinda mayor flexibilidad. También podría convertirlas en una combinación perfecta para capturar carbono de plantas de energía de pico que dependen de combustibles fósiles para producir energía cuando el viento es débil o el sol no brilla.

Pasando al diseño comercial

Con la prueba de concepto de una batería de CO2 que podía reactivarse, el equipo continuó mejorando el rendimiento para cumplir con los requisitos de una batería viable a escala de servicios públicos.

Para ello, desarrollaron una batería Al-CO2 basada en el mismo principio que el prototipo Na-CO2.

El prototipo logró resultados notables, particularmente:

• 600 horas (25 días) de operación sin pérdida de capacidad.
• Suficiente almacenamiento para más de 10 horas de electricidad para usar posteriormente.

¿Qué sigue?

Utilizar agua de mar como medio acuoso puede mejorar considerablemente la velocidad de la batería y la producción de hidrógeno+oxígeno al crear lejía a partir de los átomos de cloro en el agua. Por lo tanto, esta batería podría generar incluso más subproductos útiles de lo esperado inicialmente.

Otro desafío será llevar el diseño de la batería de aluminio-CO2 a una escala mayor adecuada para una implementación real a escala de servicios públicos.

Otro trabajo en curso es volver a la batería de sodio-CO2 y desarrollar una membrana cerámica muy fina, densa y mecánicamente estable para separar las cámaras de la batería y hacerla competitiva comercialmente.

Empresas de baterías

Debido a sus limitaciones anteriores, hay pocas empresas de baterías de CO2. Sin embargo, las empresas de baterías innovadoras con historial de adopción rápida de nuevas tecnologías podrán aprovechar los avances en el campo para desarrollar nuevas químicas si es necesario.

1. BYD Company Limited (BYDDF)

BYD es la principal empresa de vehículos eléctricos en China, con 1.860.000 vehículos vendidos en 2022, €20 mil millones en ingresos en 2022, y una de las mayores empresas privadas del país.

La empresa comenzó como el primer proveedor de baterías de iones de litio para Motorola en 2000 e ingresó al negocio automotriz ya en 2003. Hoy, también está activa en autobuses, trenes, semiconductores y almacenamiento de energía en baterías.

Fuente: Byd Company

Gracias a su enorme tamaño, “BYD superó a LG para convertirse en el segundo mayor proveedor mundial de baterías para vehículos eléctricos”

Más allá del mercado de vehículos eléctricos, BYD, al igual que Tesla (TSLA ), busca utilizar su enorme suministro de baterías para otros mercados. Lanzó notablemente la Battery-Box para uso residencial, usando química de fosfato de hierro y litio sin cobalto. También ofrece su paquete New Energy, que combina soluciones solares y de almacenamiento.

Al combinar Battery-Box y New Energy, el Sistema de Almacenamiento de Energía (ESS) de BYD ha enviado más de 14 GWh de capacidad de almacenamiento.

BYD posee la cadena de suministro completa, desde celdas de batería minerales hasta paquetes de baterías. Esto le ayudó a crear su propia solución de reciclaje propietaria, usando baterías de automóviles viejas como almacenamiento fijo o reciclaje completo de baterías a través de una nueva subdivisión en 2022.

BYD está ahora expandiéndose al extranjero, especialmente en Europa, con planes de cuadruplicar su todavía pequeña cuota de mercado, así como producción local en Hungría, con una capacidad de 150.000 vehículos al año que podría duplicarse a 300.000. Esto podría presionar a los fabricantes locales y a Tesla, con un precio ahora comparable al de los autos de combustión.

La expansión en EE. UU es más cautelosa ya que la rivalidad EE. UU‑China sigue escalando, con un arancel del 100 % impuesto a los autos chinos en la primavera de 2024.

Fuente: BYD

Con fuertes perspectivas de crecimiento en Sudamérica, Asia y Europa, así como una posición dominante en China, el principal mercado de vehículos eléctricos, la acción de BYD es la alternativa menos conocida y con múltiplos de valoración más bajos que Tesla.

2. Contemporary Amperex Technology Co., Limited (300750.SZ)

La china CATL es, de lejos, la mayor empresa de baterías del mundo si se juzga por el volumen de baterías. En 2022 produjo casi la mitad de las baterías mundiales en GWh.

También posee algunas de las baterías de fosfato de hierro y litio más avanzadas, lo que podría ser una solución para crear baterías más baratas y “suficientemente densas” para vehículos eléctricos de bajo costo.

La experiencia de CATL en química de baterías también se extiende a otras opciones. Notablemente, la impresionante batería de iones de sodio de 160 Wh/kg se anunció en 2021. Reemplazar el litio con sodio abundante y barato ofrece una alternativa al litio, cuyo precio ha sido muy volátil y alto en los últimos años. Y para aplicaciones que aún requieren litio, CATL también está invirtiendo $1.4 mil millones para desarrollar la producción de litio en Bolivia.

Pero cuando se trata del rendimiento de las baterías, CATL está a la vanguardia del progreso. Primero, anunció una batería ultra‑duradera de 330 Wh/kg “un millón de millas” que carga al 80 % en 5 minutos y está lista para su comercialización. Esta batería debería ser utilizada por Tesla en el futuro y será el nuevo estándar para vehículos eléctricos de alto rendimiento.

También anunció recientemente una batería “condensada” de 500 Wh/kg, que sería lo suficientemente densa para alimentar vehículos eléctricos de largo alcance y aviones. Afirma haber encontrado una forma de que las baterías funcionen mejor enclimas fríos , pero esto sigue siendo una debilidad de la tecnología y un problema para los vehículos eléctricos en países fríos.

Líderes en vehículos eléctricos como Tesla y BYD, o nuevas entradas ambiciosas como Toyota, podrían buscar desarrollar su propia tecnología de baterías como una ventaja única. Pero el resto de la industria automotriz, incluidos los fabricantes alemanes, estadounidenses y japoneses, buscan socios para mantenerse al día en la carrera por baterías avanzadas. Esto incluye notablemente a Ford, Nio, BAIC, Volvo & BMW, Honda, y Mercedes Benz.

CATL tiene el volumen de producción para beneficiarse al máximo de las economías de escala en la fabricación de baterías. Su gran volumen de ventas también alimenta directamente la experiencia científica y un amplio presupuesto de I+D, lo que permite más avances. Al no ser un fabricante de automóviles, también es un mejor socio para la mayor parte de la industria que sus competidores directos como BYD y Tesla.

Por ahora, la empresa se ha centrado principalmente en los vehículos eléctricos. Podría orientarse hacia baterías a escala de servicios públicos a medida que la producción de energía renovable de China crezca y la tecnología madure.

En conjunto, esto constituye un argumento convincente para que CATL siga siendo el líder mundial en producción de baterías. Sin embargo, las crecientes tensiones entre EE. UU y China no deben olvidarse por completo, y su acción podría quedar atrapada en medio de la lucha de poder entre las dos mayores economías del mundo.