El Futuro del Almacenamiento de Energía – Baterías a Escala de Servicios Públicos

La Necesidad de Baterías en la Red Eléctrica

Baterías han evolucionado de ser un componente barato de la electrónica pequeña a un componente clave y costoso en la revolución de los vehículos eléctricos. Pero hay otro segmento además de la movilidad que requiere una cantidad cada vez mayor de capacidad de baterías: la red eléctrica.

Las energías renovables están creciendo como parte de la generación total de energía eléctrica. Pero también son más intermitentes que las plantas de energía basadas en combustibles fósiles, ya que mayormente producen energía cuando el sol brilla o el viento sopla. Esto puede no coincidir con los momentos de mayor consumo, a menudo por la noche o en invierno. La red eléctrica no almacena electricidad, pero necesita estar equilibrada entre producción y consumo en todo momento.

Así, cuanto mayor sea la generación de renovables, más baterías serán necesarias para mantener estable la red eléctrica. Esta es una área importante de inversión en energía nueva, con proyectos de baterías a escala de servicios públicos programados para más que triplicar la capacidad actual para 2025.

Fuente: EIA

Por ahora, muchos de estos parques de baterías están usando baterías de iones de litio. Pero esto podría cambiar.

Diferentes Necesidades

Por ahora, la industria de baterías ha evolucionado mayormente para atender al mercado de electrónica pequeña y vehículos eléctricos. Esto se debe a que ambos comparten requisitos similares para la batería ideal:

• Pequeña y ligera, con alta densidad medida en Wh/kg.
• Operar en un rango de temperatura “normal”.
• No ser extremadamente sensible al precio.
• Puede durar al menos 5-10 años, con aproximadamente una carga completa al día.

Para este conjunto específico de criterios, la tecnología de iones de litio ha sido hasta ahora la mejor para la tecnología de baterías. Esto podría cambiar pronto, con posibilidades como baterías de estado sólido, de sodio‑ión o de fosfato de hierro‑litio (LFP) como alternativas potenciales. Puedes leer más al respecto en nuestro artículo: “El Futuro de la Movilidad – Tecnología de Baterías”.

Pero las baterías de red eléctrica / a escala de servicios públicos tienen necesidades muy diferentes.

• Sin restricciones estrictas de peso. Las baterías no se mueven, por lo que un peso que paralizaría un vehículo eléctrico no es un problema.
• Sin restricciones estrictas de espacio. Los parques de baterías se construirán en terrenos baratos alrededor de las centrales eléctricas. No es necesario empaquetarlas estrechamente dentro del chasis de una computadora o un vehículo eléctrico.
• Las altas temperaturas no son tan problemáticas. Si una química específica funciona mejor a 200 °C, eso no cocinará a los pasajeros de un vehículo eléctrico. Sin embargo, en la mayoría de los países, las baterías deberán tolerar el clima frío, ya que mantenerlas calientes en invierno sería muy costoso. Algo con lo que las baterías basadas en litio pueden tener dificultades.
• El costo de cada Wh es el factor más importante.
• Cuanto más dure la batería, más se puede amortizar su costo a lo largo de un período prolongado, ya que las compañías de servicios públicos están acostumbradas a invertir con un horizonte de 30‑40 años.

Considerando las necesidades muy diferentes entre los vehículos eléctricos y las baterías a escala de servicios públicos, no es sorprendente que se estén desarrollando nuevas tecnologías y nuevas químicas de baterías para ofrecer soluciones más rentables a las compañías eléctricas y a los operadores de la red.

En la práctica, podemos esperar que varias tecnologías de almacenamiento de energía “ganen” juntas, ya que algunas son más adecuadas para el equilibrio inmediato de la red, y otras para diferentes escalas de tiempo (horas, semanas, temporadas completas).

Fuente: CleanTech

Aunque este artículo te brinda una visión general del tema, también podrías querer leer este informe detallado de Ara Ake sobre sistemas de almacenamiento de energía estacionarios.

Nuevas Químicas de Baterías para Aplicaciones a Escala de Red

Químicas Nuevas Derivadas de Vehículos Eléctricos

Construir baterías es un juego de escala. Los lotes de producción más grandes, con la cadena de suministro más profunda, pueden lograr economías de escala y, por lo tanto, un costo por Wh más barato.

Por esta razón, varias compañías de baterías a escala de servicios públicos están apostando por químicas de baterías de bajo costo ya usadas en vehículos eléctricos para reemplazar el almacenamiento basado en iones de litio.

Baterías LFP

Una opción es LFP (fosfato de hierro‑litio), un buen candidato para baterías de bajo costo para vehículos eléctricos, y una química de batería que no depende del costoso cobalto y níquel. También son más duraderas que las de iones de litio, lo que las hace aún más económicas a largo plazo. Esto ya está disponible en soluciones listas para usar a escala de servicios públicos, incluyendo a líderes del sector como CATL o BYD.

Baterías de Sodio‑Ión

Además del cobalto y el níquel, el litio mismo puede ser muy caro en ocasiones, dependiendo de la fluctuación del precio del litio. Por lo tanto, reemplazarlo con sodio abundante puede ayudar a reducir aún más los precios. Es ligeramente menos denso en energía (Wh/kg) que los LFP, pero también más barato, por lo que podría ser un candidato aún mejor para una química de batería capaz de funcionar tanto en vehículos eléctricos como en la red eléctrica.

Baterías de Flujo Redox

Estas categorías de baterías se basan en el proceso químico de oxidación y reducción de metales. Se pueden usar una variedad de metales diferentes para baterías de flujo redox, así como otros tipos de flujos iónicos.

Fuente: CellCube

Baterías de Hierro‑Aire

Estas baterías funcionan utilizando la oxidación del hierro (comúnmente conocida como óxido). Las baterías generan electricidad oxidando hierro y luego invierten el proceso consumiendo electricidad.

La ventaja clave es que, al utilizar materiales extremadamente baratos, estas baterías podrían ser extremadamente rentables. Los defensores de esta tecnología afirman que las baterías de hierro‑aire serían 10 veces más baratas, tendrían mejor rendimiento y durarían 17 veces más. El inconveniente de que las baterías sean grandes, pesadas y lentas de cargar o descargar no debería ser un problema para aplicaciones a escala de servicios públicos. Empresas como Form Energy ya están construyendo instalaciones para fabricar estas baterías en masa.

Baterías de Zinc

Usando otro metal barato, estas baterías incluyen varias opciones como zinc‑bromuro, zinc‑manganeso o zinc‑aire. La ventaja clave de esta tecnología es su muy larga capacidad de almacenamiento, con muy pocas pérdidas/descargas. Esto podría convertirla en un buen candidato para almacenar energía eólica, ya que los días sin viento a veces se extienden por varias semanas, algo que las tecnologías de baterías con almacenamiento menos duradero pueden tener dificultades para compensar.

“Se espera que las baterías de zinc representen el 10 % del mercado de almacenamiento para 2030, según el analista energético Avicenne Consulting”.

Algunas compañías destacadas en este sector son Redflow (zinc‑bromuro) y Zinc8 (zinc‑aire).

Baterías de Flujo Redox de Vanadio – VRFB

El vanadio es un metal que hoy se usa mayormente en la producción de acero inoxidable. En baterías, podría crear baterías que se adaptan mejor a ciclos diarios y al suavizado de la curva de producción de renovables durante el día, gracias a su capacidad de manejar al menos 10 ciclos de carga‑descarga por día, mientras también posee una buena capacidad de retención de hasta 24 horas. La vida útil de la batería puede ser muy larga, de 20‑25 años, y aun así solo requeriría el reemplazo de las partes del marco de plástico, con los componentes metálicos casi totalmente reciclables.

El sector está muy activo, con empresas como CellCube, Invinty Energy Systems, Rongke Power y VRB Energy trabajando en esta tecnología.

Baterías de Sal Marina / Agua Salada

Este concepto se basa en el flujo de iones de sal a través de una membrana para almacenar energía. Algunas versiones de esta batería fabricada por Salgenx ni siquiera utilizan una membrana, lo que reduce costos, complejidad y mantenimiento, pero con un electrolito hecho a medida que no se mezcla con agua.

Baterías de Metal Fundido

El concepto se basa en la fundición de aluminio, un proceso que consume mucha electricidad; ¿qué pasaría si pudiera invertirse?

Gran parte de los costos de las baterías provienen de las dificultades de su fabricación. Los ánodos y cátodos deben estar perfectamente separados para evitar atajos.

En una batería de metal fundido, los 3 componentes principales, el ánodo, el cátodo y el electrolito, son líquidos. Se separan espontáneamente entre sí gracias a sus diferentes densidades líquidas. El hecho de que no haya componentes sólidos debería, en teoría, aumentar dramáticamente la vida útil de la batería, así como permitir una carga y descarga muy rápidas y ser totalmente reciclable.

La empresa Ambri, que utiliza una batería de calcio y antimonio, apunta a producir 200 000 celdas de batería al año en su nueva fábrica para 2024, y ha sido proveedora de Microsoft (MSFT ) desde 2022.

Fuente: Ambri

La empresa NGK Insulator también está trabajando en una batería de sal fundida de sodio‑azufre, y la empresa FZSoNick está trabajando en una batería de cloruro de sodio‑níquel.

Baterías de Hidrógeno Metálico / Níquel‑Hidrógeno

Estas baterías ciclan hidrógeno en agua y luego oxidan un metal. Aunque el níquel no es el único metal posible para el cátodo en esta tecnología (las alternativas pueden ser manganeso, plomo o hierro), es la opción más común y con mayor densidad energética.

Este es el tipo de batería utilizado por la NASA en la EEI (Estación Espacial Internacional).

Esta tecnología tendría la ventaja de ser muy segura, sin mantenimiento y capaz de manejar un amplio rango de temperaturas (-40 a +60 °C).

Esta tecnología es notablemente promovida por Enervenue, que salió del modo sigiloso en 2020, mostrando una nueva versión de su batería con una vida útil de 30 años y 30 000 ciclos lanzada en septiembre de 2023. Las baterías de hidrógeno‑manganeso son desarrolladas por RFC Power.

Baterías de CO2

El aumento de los niveles de CO2 es la fuerza impulsora detrás del impulso a las renovables y la electrificación, y por lo tanto también detrás de la creciente necesidad de baterías. Por lo tanto, sería algo irónico que la misma molécula se utilice para almacenar energía renovable.

La batería de CO2 de Noon Energy divide el CO2 en carbono y oxígeno para almacenar energía. La batería de flujo opera a altas presiones y temperaturas que van de 50 a 200 bar y de 600 a 800 °C. Este tipo de batería se desarrolló inicialmente para el rover marciano Perseverance.

Esto no debe confundirse con la “batería de CO2” de Energy Dome, que se basa en el ciclo de licuefacción y evaporación del CO2, lo que la convierte en no una verdadera batería, sino más bien en un almacenamiento de energía por gas comprimido.

Baterías de Sodio‑Azufre

Estas baterías, hasta ahora, se han limitado a aplicaciones donde la batería se mantiene a altas temperaturas (300 °C). Esto podría no ser un problema para aplicaciones a escala de servicios públicos. Sin embargo, la tecnología sigue siendo algo nueva y carece de escala y producción masiva por el momento. Hacer que estas baterías sean muy duraderas también puede ser un desafío tecnológico.

Baterías de Polímero

También llamadas baterías plásticas, este concepto utiliza polímero conductor en lugar de litio u otros metales. La principal ventaja de este concepto es que se basa en una fabricación simple y materiales fácilmente disponibles. La batería resultante también sería muy duradera y fácil de operar de forma segura.

Polyjoule, una spin‑off del MIT, es uno de los líderes en esa idea. Pero a largo plazo podría no ser un tipo de batería que reduzca los costos tanto como algunas otras alternativas.