Cómo resolver el gran mal de la energía renovable: el almacenamiento

Las plantas de carbón y gas natural pueden cubrir ese vacío. Pero como las normativas climáticas van obligando a cerrarlas cada vez más debido a sus emisiones de carbono, dentro de un tiempo habrá días o incluso semanas en los que las energías renovables no serán suficientes para mantener las luces encendidas. Así que será necesario que haya algo más.

La empresa Form Energy está convencida de que ese algo podría ser un sistema de baterías. Pero tendría que ser diferente a los que existen actualmente. Para ser igual de barato, fiable y flexible como el gas natural, ese sistema de baterías tendría que costar menos de 10 euros por kilovatio-hora. En la actualidad, las mejores baterías son grandes sistemas de iones de litio, que cuestan cientos de euros por kilovatio-hora (las estimaciones precisas varían). Podrían pasar décadas hasta que su precio caiga por debajo de 100 euros.

Se trata de un cambio enorme. Pero los fundadores de Form creen que podrían alcanzar ese objetivo desarrollando grandes baterías de materiales extremadamente baratos y con una gran densidad energética. El profesor del MIT (EE. UU.), cofundador y principal científico de Form, Yet-Ming Chiang, afirma: "Creemos que podemos conseguirlo, podemos adaptar la tecnología a esos requisitos".

Una forma de almacenar energía de forma duradera y a un bajo coste que pudiera construirse en cualquier lugar sería lo más parecido a una bala de plata para limpiar el sector eléctrico. Aprovecharía al máximo la fuerte disminución de los costes de la energía solar y eólica, pero sin tantos problemas ambientales, de seguridad o estéticos como los que plantean las otras estrategias para compensar las fluctuantes energías renovables.

El problema de almacenamiento

Form llamó la atención del mundo de las baterías cuando se creó en 2017. Chiang es uno de los mejores científicos del mundo en baterías. Ha publicado cientos de artículos científicos, posee más de 80 patentes y ha cofundado seis start-ups. Algunas de ellas han obtenido valoraciones superiores a los 1.000 millones de euros, como por ejemplo A123 Systems, que fabrica baterías de iones de litio para vehículos eléctricos.

El CEO de Form, Mateo Jaramillo, previamente creó y dirigió una unidad de Tesla que vende sistemas de baterías para hogares y ahora está construyendo algunos de los proyectos de baterías de energía más grandes del mundo. Hasta la fecha, Form ha recaudado alrededor de 45 millones de euros del fondo Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates, del gigante energético italiano Eni y de otros.

Foto: El equipo fundador de Form Energy. Crédito: cortesía de Form Energy

La oleada anterior de compañías de almacenamiento de energía fracasó (ver ¿Por qué le pasan cosas malas a las 'start-ups' de baterías? La culpa es del capitalismo). Form es una de pocas empresas que ha conseguido volver a recaudar fondos para intentar resolver este problema de nuevo.

La principal necesidad de almacenamiento en red es el "almacenamiento intradiario". Proporciona ráfagas rápidas de electricidad durante algunas horas para suavizar el desequilibrio entre generación y demanda durante todo el día y al menos hasta la noche.

Ese tipo de almacenamiento proviene cada vez más de las baterías de iones de litio, que también alimentan teléfonos, ordenadores portátiles y coches eléctricos, y cada vez son más baratas y potentes. El almacenamiento de energía eléctrica instalada en todo el mundo aumentó casi un 150 % el año pasado a seis gigavatios-hora, según la empresa de investigación Wood Mackenzie. Eso es casi el doble de la media durante los últimos cinco años, y los sistemas de iones de litio representaron la mayor parte del aumento.

Tesla, por ejemplo, planea construir cientos de sus nuevos sistemas de baterías Megapack de tres megavatios-hora en Califo ia (EE. UU.). Este proyecto, que también incluye a otros desarrolladores de almacenamiento de energía, reemplazaría un trío de fábricas de gas de décadas de antigüedad gestionadas por Calpine, una gran compañía eléctrica estadounidense.

Foto: La fábrica de baterías de energía eléctrica de Tesla en Kauai, Háwai (EE. UU.). Cortesía: Tesla.

Mientras tanto, un número creciente de desarrolladores de energías renovables, como Recurrent Energy y First Solar, proponen granjas solares gigantes combinadas con enormes sistemas de almacenamiento de baterías. Estos sistemas permitirían que las plantas sigan suministrando electricidad durante horas después del atardecer.

Pero el Sol y el viento no solo desaparecen durante horas; a veces lo hacen durante días o semanas. Si queremos depender casi en exclusiva de las energías renovables, necesitaremos mucho más almacenamiento que también duraría mucho más. Pero con las tecnologías de baterías actuales, los costes se dispararían, según el profesor asistente de la Universidad de Princeton (EE. UU.) Jesse Jenkins que investiga los sistemas de energía. Este enfoque requeriría muchos bancos de baterías de iones de litio, la mayoría de los cuales solo se usarían un par de veces al año. También deberíamos construir más parques solares y eólicos para generar suficiente excedente de electricidad para cargarlos. (Ver El desorbitado precio de cargar el mundo con energía 100 % renovable).

En este escenario, la economía se viene. "Si se supone que estos activos permanecen inactivos durante las tres cuartas partes del año, eso aumenta cuatro veces el coste efectivo", explica el químico del MIT que cofundó Ambri, Don Sadoway, quien ha desarrollado una batería de energía de metal líquido que dura aproximadamente una hora más que las de iones de litio.

Pero la realidad es aún peor. Deberíamos crear muchas más energías renovables y más almacenamiento para satisfacer la demanda durante los eventos más raros: faltas prolongadas de la luz solar o viento que se dan cada pocos años, tal vez incluso solo una vez por década.

Pero el almacenamiento no es la única estrategia para resolver el problema. Satisfacer una pequeña parte de la demanda total a través de otras fuentes de energía disminuiría los costes previstos, según otro estudio. Eso podría incluir reactores nucleares, energía hidroeléctrica, plantas de gas natural con sistemas de captura de emisiones de carbono y líneas de transmisión de larga distancia que puedan compensar las energías renovables en algunas zonas horarias. Pero esas opciones son políticamente impopulares, caras, geográficamente limitadas o todo a la vez. Las baterías tienen la ventaja de no molestar especialmente a la gente.

Debemos pensar ya en estos problemas del futuro porque las tecnologías necesarias para solucionarlos podrían tardar años, si no décadas, en desarrollarse. Las áreas con grandes proporciones de energías renovables, como España y Alemania, ya producen más energía solar o eólica de la que la red eléctrica puede consumir en ciertos períodos, lo que socava los incentivos económicos para construir más. Muchas más regiones se están dando cuenta de que hay una brecha enorme que algunas tecnologías tendrían que cerrar si quieren eliminar los combustibles fósiles.

Enfoque de Form

El desarrollo de baterías baratas y de larga duración ha dejado desconcertados a los investigadores durante décadas, principalmente porque los metales y productos químicos que mejor funcionan son caros. Usarlos para satisfacer mayores necesidades de almacenamiento significa invertir más. Form trata de esquivar parte de estos desafíos de forma moderada, de acuerdo al enfoque claramente expresado en un artículo que Chiang y sus colegas publicaron en la revista Joule a finales de 2017 (ver El azufre podría ser la clave que las baterías necesitan para masificar la energía renovable).

Todas las baterías contienen dos componentes básicos: un electrolito, generalmente un químico líquido, y un par de electrodos, el ánodo y el cátodo, que están hechos de diferentes materiales (a menudo, aunque no siempre, metales). Los átomos cargados, conocidos como iones, transportan corriente a través del electrolito entre los dos electrodos mientras la batería se carga o descarga. En las baterías de iones de litio, el electrolito es un compuesto de litio mezclado con otras sustancias químicas.

En el artículo de 2017, Chiang y sus colegas destacaron el potencial de "baterías de flujo recargables de azufre acuoso que respiran aire". Una batería de flujo podría evitar el problema de los costes al separar los componentes que suministran electricidad, incluidos los electrodos, de la parte que la almacena, el electrolito.

Una batería de flujo estándar tiene dos electrolitos diferentes, conocidos como el catolito y el anolito, cada uno de los cuales se puede almacenar en tanques grandes y son fáciles de cambiar. Así que, si queremos más almacenamiento, es posible añadir tanques más grandes mientras que las otras partes costosas, incluidos los electrodos, se mantienen.

Sin embargo, para que resulte realmente económico, los electrolitos que llenan esos tanques gigantes también deben ser baratos. La clave para las baterías de flujo, según el artículo de Joule, reside en usar una solución a base de azufre para el anolito. El azufre es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre, y es un subproducto de la refinación de combustible, por lo que es extremadamente barato y puede almacenar mucha energía.

"En función de la cantidad almacenada por cada euro, el azufre fue más de un factor de 10 mejor que la siguiente mejor opción", afirmó Chiang en 2017. En total, los costes químicos de una batería de flujo de este tipo podrían estar por debajo del euro el kilovatio-hora, según el estudio.

Cuando hablé con Chiang en agosto pasado, me confirmó que el azufre "definitivamente seguía siendo parte del mapa de ruta de Form". Explicó que era el enfoque que están utilizando en un proyecto financiado por el programa ARPA-E del Departamento de Energía de EE. UU. Pero la compañía asegura que ahora desarrolla "múltiples químicas", aunque no quiso decir cuáles.

Foto: El profesor del MIT y cofundador de Form Energy, Yet-Ming Chiang. Créditos: Simon Simard

Aunque la mayoría de las empresas de almacenamiento de energía solo se centran en la parte de almacenamiento, Jaramillo también está explorando la posibilidad de "plantas de energía bidireccionales", que generarían electricidad renovable in situ mediante energía solar o eólica, la almacenarían en grandes baterías y la entregarían a la red eléctrica cuando fuera necesario.

Otras opciones

Una batería electroquímica, ya sea de iones de litio, azufre u otra cosa, no es más que una forma de almacenar grandes cantidades de energía. A principios de septiembre, un grupo de ingenieros se juntó en to o a un cilindro plateado y rechoncho del tamaño de una barbacoa, en la parte trasera de un taller abarrotado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (EE. UU.). La única pista de que había algo en funcionamiento era un brillo naranja en una pequeña ventana cerca de la parte inferior del dispositivo.

Los investigadores de Antora Energy están desarrollando un nuevo tipo de almacenamiento térmico. Es un enfoque poco utilizado que retiene la energía en forma de calor o frío extremo en una variedad de sustancias, como rocas subterráneas o bloques de hielo. En el caso de Antora, la sustancia del tanque era un bloque de carbono que, en ese momento, estaba muy por encima de los 2.000 °C.

El exceso de la electricidad generado en los parques solares o eólicos podría calentar ese material y luego reconvertir el calor en electricidad cuando sea necesario. Por lo general, el almacenamiento térmico todavía es altamente ineficiente, ya que la mayor parte de la energía se desperdicia como resultado de la fricción mecánica, fugas de vapor y otros problemas.

Por eso, Antora está probando un novedoso sistema termo-fotovoltaico. Se parece a un panel solar, pero en lugar de convertirla luz solar en electricidad, trabaja con la radiación infrarroja que sale de un objeto caliente. A finales de septiembre, sus investigadores anunciaron que habían establecido un nuevo récord al convertir más del 30 % del calor que fluye a la celda en electricidad en un experimento de laboratorio. Su objetivo es lograr una eficiencia superior al 50 %.

Los métodos mecánicos ofrecen otro enfoque para almacenar energía. Este incluye bombear aire a las cave as subterráneas, llevar trenes llenos de rocas cuesta arriba o transferir agua entre depósitos a diferentes alturas. Todo esto funciona aproximadamente de la misma manera, la energía de reserva se utiliza cuando está disponible para mover algo a una elevación más alta o a presión. Más adelante, la energía cinética del aire que se escapa o de los trenes o del agua que descienden se puede aprovechar para generar electricidad.

De hecho, la energía hidroeléctrica bombeada en la actualidad representa, con mucha diferencia, nuestra fuente más barata y abundante de almacenamiento de energía eléctrica. El problema es que no siempre tenemos suficiente agua o colinas cerca de cada central eléctrica.

Bajo su programa "DÍAS (DAYS en inglés)", ARPA-E ha invertido más de 27 millones de euros en 12 start-ups y grupos de investigación que intentan resolver el problema del almacenamiento de energía eléctrica. Entre los proyectos figuran las baterías de flujo de Form y el sistema térmico de Antora, así como el giro de Quidnet Energy hacia la hidroeléctrica bombeada. Se trata de un sistema que bombea agua hacia los huecos entre rocas confinadas bajo tierra. Esto genera una presión que fuerza el agua hacia arriba y a través de un generador cuando se necesita electricidad.

Breakthrough Energy Ventures, el fondo de inversión respaldado por Bill Gates, tiene el almacenamiento de larga duración entre sus principales prioridades. Además de Form, ha respaldado a Quidnet y a Malta, otra start-up térmica que utiliza la sal fundida como medio de almacenamiento de energía (ver Alphabet podría revolucionar la energía limpia con dinero de Bill Gates).

Por su parte, el conglomerado japonés SoftBank recientemente invirtió cerca de 100 millones de euros en la start-up suiza de almacenamiento mecánico Energy Vault, que utiliza grúas y cables para apilar bloques de hormigón con el exceso de energía renovable. Luego deja los caer al suelo con esos mismos cables, usando su impulso para poner en marcha los motores de las grúas en sentido contrario y bombear la electricidad. (Este vídeo aclara el concepto).

La naturaleza poco convencional de algunas de estas ideas muestra la dificultad de todas estas tecnologías para dar el salto de almacenar unas pocas horas de energía a unas pocas semanas. Sadoway señala: "Si hablamos de capturar, por ejemplo, un mes o dos de energía durante el verano y tenerla disponible durante uno o dos meses en invie o, hablaríamos de sumas gigantescas de energía. ¿Cuántas cargas de rocas hay en el tren?"

Grandes condicionantes

La mayoría de los métodos mecánicos como los trenes o grúas requieren mucho espacio. Los métodos térmicos son inherentemente ineficientes, ya que es difícil evitar que el calor o el frío se filtren. Y producir o quemar la mayoría de los combustibles líquidos genera las mismas emisiones climáticas que queremos evitar. Las baterías tienen la ventaja de ser limpias, compactas, móviles y eficientes. Entonces, si alguien logra que también sean baratas y duraderas, podrían conectarse a cualquier red. Eso permitiría que la energía eólica y solar proporcionara mucha más electricidad y, a su vez, que la electricidad limpia pudiera satisfacer una parte mucho mayor de nuestra necesidad total de energía.

Pero se enfrentan a unos condicionantes muy grandes. Algunos expertos dudan de que Form pueda alcanzar sus objetivos, o cuestionan cuánto gas natural podrían sustituir si lo consiguieran. Por su parte, los fundadores de la compañía aseguran que es un proyecto de una década como mínimo, con serios riesgos técnicos, financieros y de mercado.

De media, los avances importantes de baterías solo ocurren aproximadamente una vez cada tres décadas, y la historia del campo está llena de muchos más enfoques prometedores que no funcionaron que los que lo hicieron. Por otra parte, la última, la tecnología de iones de litio, llegó al mercado hace 28 años. Así que puede que estemos a punto de ver el último nuevo gran avance.