Alternativas no químicas a las baterías para la transición energética

¿Son las baterías la idea correcta?

La estrategia preferida para eliminar los combustibles fósiles de las economías industrializadas ha sido la electrificación. El objetivo es reemplazar los vehículos con motor de combustión interna (ICE) por vehículos eléctricos (EV) y producir calor con bombas de calor en lugar de combustión. Es algo que investigamos en detalle en nuestro artículo “El Futuro de la Movilidad – Tecnología de Baterías“.

El problema es que, para que este cambio sea realmente ‘verde’, la electricidad debe provenir de fuentes renovables o sostenibles, que, según a quién se pregunte, pueden incluir la energía nuclear.

En ambos casos, los cambios en la demanda eléctrica durante el día y la temporada implican que habría que construir una gran capacidad de reserva que permanecería inactiva la mayor parte del tiempo. Esto es especialmente cierto para las renovables, ya que la energía solar rinde menos en inviernos fríos y nublados, y el viento puede dejar de soplar durante semanas.

Por lo tanto, existe una necesidad urgente de almacenamiento de energía a largo plazo. Una solución pueden ser baterías a escala de servicios públicos, aprovechando nuevas químicas que ofrecen menores costos u otras ventajas. Es algo que investigamos en detalle en nuestro artículo “El Futuro del Almacenamiento de Energía – Tecnologías de Baterías a Escala de Servicios Públicos“. Otra opción es producir algún tipo de combustible líquido que pueda almacenarse hasta que lo necesitemos, como hidrógeno líquido o amoníaco líquido, por ejemplo, algo que detallamos en nuestros artículos “El Otro Combustible de Hidrógeno – Las 5 Mejores Acciones de Amoníaco Verde” y “Biocombustible Algal: ¿La Próxima Revolución Energética?“.

¿Pero si la forma adecuada de almacenar energía durante días, semanas, meses o incluso años no fueran las baterías? En este artículo, examinaremos todas las opciones no químicas para el almacenamiento de energía.

Aire Comprimido

Ventajas del Aire Comprimido

Comprimir aire requiere mucha energía. Esa misma energía puede recuperarse parcialmente al descomprimir el aire almacenado.

Una ventaja clave de esta técnica es que utiliza solo componentes mecánicos como tuberías, bombas y tanques, que a su vez requieren solo materiales simples como el acero, en lugar de materiales raros como tierras raras, cobalto, litio, etc. Incluso podría basarse en un yacimiento de gas natural agotado, proporcionando un “tanque” absolutamente masivo a muy bajo costo. Y, por supuesto, el aire es un suministro totalmente gratuito y disponible en cualquier lugar.

Fuente: Electricity Forum

Otra ventaja es que la compresión de aire es una tecnología bien comprendida, con una cadena de suministro muy establecida, que podría estar lista para escalar rápidamente si se requiere. También es un sistema que puede almacenar energía durante mucho tiempo con pérdidas mínimas o nulas.

Desventajas del Aire Comprimido

Un problema clave para hacer eficiente el aire comprimido es un fenómeno físico que ocurre al comprimir cualquier gas. Se genera calor durante la compresión. Este calor generalmente debe disiparse para evitar daños al sistema de compresión, lo que se traduce en energía perdida. Además, el aire se enfría al descomprimirse, a menudo requiriendo sistemas de calentamiento.

Se puede perder entre el 30% y el 40% de la energía debido a esto. Puede ser incluso peor en diseños menos eficientes. Hasta ahora, la mejor eficiencia a escala se ha logrado en China con pérdidas del 30%, en la planta de 400 MWh Zhangjiakou diseñada por la Academia China de Ciencias.

Así, aunque el aire comprimido podría ser una opción aceptable para almacenamiento a bajo costo a largo plazo entre estaciones, las inevitables pérdidas de energía superiores al 30% son un lastre para la economía del sistema. Solo si el calor producido durante la compresión pudiera reciclarse en otro proceso, estos sistemas podrían volverse realmente eficientes.

Baterías de Gravedad

En física, cualquier objeto que sube se considera que adquiere un nivel más alto de “energía potencial”. Esta energía se manifiesta como movimiento descendente tan pronto como el objeto se permite bajar. De este hecho surgió la idea de usar la gravedad para almacenar energía.

Hidroelectricidad de Bombeo

Esta es la forma más utilizada de almacenamiento de energía a escala de servicios públicos hoy en día, representando el 90% de la capacidad de almacenamiento de energía de la red global en 2020, según la Base de Datos Global de Almacenamiento de Energía del Departamento de Energía.

La generación hidroeléctrica utiliza la energía potencial del agua de la lluvia, la almacena detrás de presas y la libera para producir energía. La hidroeléctrica de bombeo utiliza electricidad para bombear el agua de vuelta a la estación hidroeléctrica.

La presa de almacenamiento también puede construirse únicamente con el propósito de almacenamiento por bombeo, y requiere solo un terreno ondulado en comparación con una gran presa hidroeléctrica que a menudo necesita terreno montañoso. Alternativamente, también puede usarse un reservorio subterráneo.

Fuente: Energy.gov

Las pérdidas de energía suelen estar en el rango del 20-30%. El almacenamiento puede durar varios meses con pérdidas limitadas, al menos en regiones que no son demasiado calurosas. El requisito de capital puede ser bastante alto, pero las instalaciones de hidroeléctrica de bombeo también son extremadamente duraderas.

Una idea intrigante, solo discutida pero nunca probada a escala, es usar electrólisis para convertir el agua a una altitud más baja en hidrógeno. Este hidrógeno, más ligero que el aire, se transporta hacia arriba “sin energía”. Luego se reforma en agua (devolviendo parte de la energía consumida por la electrólisis). Esa agua vuelve a generar energía al descender a través de una turbina hidroeléctrica.

Si bien potencialmente con una eficiencia global mucho mejor que la hidroeléctrica de bombeo, el tamaño de los electrolizadores requeridos podría hacer que el sistema siga siendo bastante costoso.

Almacenamiento de Energía con Hormigón/Roca

El agua no es lo único que puede almacenarse para acumular energía mediante la gravedad. Las rocas, bloques de hormigón y otros objetos ultra pesados también pueden usarse.

En este caso, la tecnología requerida es incluso más simple que la hidroeléctrica de bombeo, ya que se basa principalmente en grúas y alternadores para almacenar la energía y devolverla. Las grúas y las rocas tampoco son materiales realmente raros.

La gran ventaja de estos sistemas es su eficiencia. La mayor parte de la energía perdida en la hidroeléctrica de bombeo proviene de la turbulencia del agua, reduciendo la eficiencia de la bomba. En contraste, las grúas y los cables pueden ofrecer pérdidas tan bajas como el 15% (un cuarto menos de pérdidas que la hidroeléctrica de bombeo).

Actualmente, las empresas Gravitricity y Energy Vault (NRGV ) (NYSE – NRGV) han estado impulsando estos conceptos.

Gravitricity recicla pozos de minas abandonadas para acceder a pozos ya hechos y fáciles de manejar de varios cientos de metros de profundidad para almacenar energía con su sistema GraviStore.

Energy Vault, por su parte, apunta a construcciones dedicadas, con bloques que suben y bajan según la demanda de energía.

Con cientos de miles de sitios mineros en todo el mundo, esto podría tener un potencial mucho mayor de lo que muchos imaginan y beneficiarse del hecho de que la infraestructura ya existe. La empresa está considerando una asociación con el gigante industrial sueco ABB para finalizar el desarrollo de su tecnología, así como acceder al enorme conjunto de clientes mineros de ABB.

Fuente: ABB

La limitación del “almacenamiento sólido” con gravedad es que la energía almacenada en solo unas decenas o cientos de metros no es muy grande. Una opción es simplemente disponer de suficiente, como cientos de miles de pozos mineros al estilo de Gravitricity, o enormes “almacenes” dedicados como los de Energy Vault.

Otra opción es contar con una profundidad mucho mayor. Para ello, los lechos marinos profundos cerca de la costa son una alternativa. Una plataforma flotante podría situarse sobre dicha zona y bajar o elevar un peso a lo largo de varios miles de metros. Este concepto se llama Almacenamiento de Energía Gravitacional en el Océano Profundo (DOGES). Una empresa que trabaja en este concepto es la startup francesa Sink Float Solutions.

Fuente: SinkFloatSolutions

Sink Float Solutions afirma un potencial de hasta un 80% de eficiencia y costos muy bajos.

Actualmente, las grúas offshore con la mayor capacidad de carga pueden levantar masas de 4000 toneladas, lo que, a una velocidad vertical de 20 km/h, correspondería a una potencia de 200 MW. Varios cabrestantes en el mismo sitio pueden usarse en paralelo.

La economía real de estos sistemas dependerá en gran medida de su durabilidad, siendo la corrosión por agua de mar de las partes mecánicas la principal preocupación.

Baterías de Arena/Calor

Se utiliza mucha electricidad para producir calor, ya sea para uso industrial o para mantener calientes casas y apartamentos en invierno. En lugar de almacenar electricidad como una batería química, una batería de arena busca almacenar calor directamente.

La idea es construir un gran silo (como los utilizados para granos), llenarlo con arena y añadir aislamiento. La arena se calienta hasta 400 °C. Debido a que la arena tiene una conductividad térmica bastante baja Y una alta masa térmica, puede almacenar MUCHA energía. Además, es muy resistente, sin sufrir daños incluso a esas altas temperaturas.

Fuente: Polar Night Energy

Este concepto se basa en una tecnología muy simple, con tuberías estándar, bombas de aire, resistencia eléctrica, acero y arena de baja calidad que no puede usarse para aplicaciones como el hormigón.

El líder de esta tecnología es la empresa finlandesa Polar Night Energy. Es un concepto que funciona especialmente bien en los países nórdicos con “calefacción distrital” preexistente, donde el agua caliente para radiadores se produce en una ubicación centralizada para cientos o miles de viviendas. Esto es notablemente el caso en Escandinavia, Alemania y la mayor parte de Europa del Este y los países ex-URSS.

Debido a que las pérdidas de energía son mínimas, la energía puede acumularse durante los largos meses soleados del verano (que pueden durar 20‑24 horas al día en Finlandia). El exceso de producción fotovoltaica puede almacenarse de esta manera para mantener el país caliente en invierno y reducir el pico estacional de demanda eléctrica inducido por la necesidad de calefacción.

Podríamos imaginar que iteraciones posteriores del concepto podrían usarse para calentar invernaderos, o basarse en sistemas solares térmicos.

Un concepto similar de “batería de calor” también está siendo desarrollado por Rondo Energy. Estos ladrillos pueden calentarse hasta 1500 °C. Debido a la mayor temperatura, esta aplicación podría ser útil no solo para la calefacción distrital, sino también para aplicaciones industriales como la producción de cemento, la metalurgia, la química o la minería.

Fuente: Rondo Energy

Mientras tanto, la empresa Stiesdal también está trabajando en una batería de calor usando rocas trituradas. Se espera que la capacidad de almacenamiento en la red varíe entre 10 horas y 10 días.

Por último, el gigante fabricante de cemento Holcim también está desarrollando una solución basada en cemento, que almacena calor cuando está seco y lo libera cuando se hidrata. Como el ciclo puede repetirse indefinidamente, debería tener un bajo costo durante un período suficientemente largo.

Esto está diseñado para almacenar cualquier exceso de calor en una instalación industrial. Tal vez podría usarse como complemento a una estación de compresión, reduciendo la pérdida del aire al calentarse durante la compresión.

Con 300 kW de energía por metro cúbico de densidad, podría almacenar mucha potencia con unas pocas miles de toneladas de cemento relativamente barato y abundante. Revelado solo en 2022, el concepto está actualmente en desarrollo.

Volantes de Inercia

Otra forma de almacenar energía es mantenerla en forma de movimiento mecánico. Los volantes de inercia son dispositivos que almacenan energía al girar una rueda mecánica en vacío sobre un cojinete magnético, a velocidades de entre 20 000 y 50 000 revoluciones por minuto. El sistema puede almacenar o devolver energía acelerando o desacelerando el volante.

La principal ventaja de estos sistemas es que reaccionan muy rápidamente en apenas milisegundos. Por lo tanto, no solo pueden almacenar energía, sino también ayudar a estabilizar la frecuencia de la red eléctrica, algo más difícil de lograr sin grandes centrales centralizadas como las de carbón, gas o nuclear.

Empresas como Siemens Energy (ENR.SW ) (ENR.DE ) han llevado a cabo proyectos piloto usando volantes de inercia, como en el sur de Australia.

Otras startups también están trabajando en este concepto, como Stornetic, con un sistema que se espera dure al menos 20 años y tenga 100 000 ciclos de carga/descarga.

Fuente: Stornetic

Otra empresa es S4 Energy, con 60 MWh operativos o en construcción, y una cartera de 1 050 MWh. La reactividad del volante también puede ayudar a que algunas operaciones sean más eficientes cuando hay picos de demanda eléctrica, como las grúas en el puerto de Rotterdam, donde se usa un volante para recuperar la energía cuando se baja una carga. El volante de la empresa, KINEXT, es especialmente pesado (5 toneladas) y se mueve relativamente despacio (“solo” 1 800 revoluciones por minuto), lo que lo hace muy duradero, con bajo costo operativo y fácil de mantener. El volante tiene solo un 8% de pérdidas de la energía almacenada, lo que es ligeramente mejor que incluso las baterías de iones de litio.

Si bien son muy eficientes y reactivos, la energía total almacenada en un volante es menor que la de otras soluciones respecto a su costo, por lo que probablemente se mantendrán confinados a aplicaciones de nicho y a la estabilidad de la frecuencia de la red.

Solar Térmica

Los paneles fotovoltaicos convierten directamente los rayos solares en energía. En comparación, una planta de energía solar térmica recoge el calor del sol y lo concentra para producir electricidad. Dado que el calor es más fácil de almacenar con cierta inercia, estas estaciones solares pueden seguir generando energía varias horas después del atardecer, justo cuando el consumo de energía alcanza su pico.

Esta idea, que perdió popularidad frente al creciente rendimiento de los paneles fotovoltaicos, podría volver a ganar terreno ahora que la intermitencia de las renovables se convierte en un problema mayor a medida que forman una parte más grande de la combinación de generación eléctrica.

Fuente: Energy.gov

Aunque prometedor, este concepto ha estado históricamente plagado de altos costos. Transportar el calor del colector al generador ha demostrado ser difícil, produciendo calor peligroso e hidrógeno residual. Otro diseño que utiliza sales fundidas ha sufrido fugas y problemas de fiabilidad.

También es problemático para la fauna, ya que las aves pueden ser incineradas regularmente por los rayos solares invisibles y muy concentrados.

En el futuro, diseños menos masivos y, por lo tanto, menos disruptivos ecológicamente podrían devolver la energía solar concentrada al centro de atención.