Almacenamiento de una solución de energía sostenible

La transformación de la energía limpia parece estar en marcha. Con recursos ilimitados de energía solar y eólica a nuestra disposición, la capacidad mundial de energía renovable alcanzó los 3372 GW a finales de 2022, un año en el que un récord del 83 % de toda la nueva capacidad añadida fue renovable.^[1] Sin embargo, estos números enmascaran un desafío persistente: cómo almacenar, distribuir e implementar esa energía limpia una vez generada.

La sociedad moderna requiere energía las 24 horas del día, los 7 días de la semana: para calentar nuestros hogares, para que funcionen nuestras fábricas y para cargar nuestra tecnología. Sin embargo, los rayos de luz solar y las corrientes de aire que circulan a través de la atmósfera no funcionan según los horarios humanos. ¿Qué ocurre cuando no brilla el sol y cuando las hélices de las turbinas permanecen inmóviles al no haber viento?

La mejor respuesta, o más bien la única, es encontrar una forma de almacenar esta energía verde, lo que hoy en día se hace mediante baterías.

Sin una tecnología de baterías adecuada, la sociedad nunca se liberará completamente de los combustibles fósiles. En su lugar, seguirá dependiendo de los generadores de petróleo y carbón de “máxima potencia” para cubrir las pausas en la oferta o para satisfacer los picos en la demanda. Las baterías son el “eslabón perdido” en la cadena entre el suministro de energía verde y las demandas de electricidad incoherentes y polifacéticas. Son el puente que puede guiarnos hacia un futuro con cero emisiones netas y, potencialmente, evitar los peores efectos del cambio climático.

También podrían suponer una esperada reducción en las facturas de energía. Solo en el Reino Unido, una sofisticada red de almacenamiento en baterías que abarque sistemas de transporte, calefacción y energía con bajas emisiones de carbono podría ahorrar hasta 40 000 millones de GBP para 2050. Esto sería una buena noticia no solo para los ecologistas, sino también para las familias con dificultades financieras.^[2]

El litio lidera la trayectoria hacia un futuro más limpio

Las tecnologías que se utilizan para almacenar cantidades significativas de energía verde se basan normalmente en baterías de iones de litio. En la actualidad, las unidades de iones de litio se consideran generalmente el medio predeterminado para dispositivos pequeños (teléfonos móviles), medianos (automóviles) o extremadamente grandes (redes eléctricas).

Sin embargo, es a escala de red donde tienen el mayor potencial para tener un impacto considerable en la huella de carbono del sector energético, que actualmente representa más del 40 % de las emisiones globales de CO₂.^[3]

Las baterías de iones de litio, económicas y duraderas, se pueden utilizar y recargar miles de veces, se pueden fabricar con casi cualquier capacidad y representan una solución relativamente segura y de bajo coste en casi cualquier escenario. Su superioridad se evidencia por su dominio absoluto: las baterías de iones de litio representan el 95 % de los sistemas a escala de red en el mercado actual.^[4]

Aunque la tecnología fundamental de iones de litio tiene ahora medio siglo de antigüedad, las versiones modernas utilizan software basado en algoritmos para coordinar un patrón óptimo de almacenamiento y liberación de energía en la red.

A nivel técnico, cargan y descargan energía transfiriendo iones de litio entre electrodos. Los óxidos metálicos líticos se utilizan comúnmente como cátodo para el almacenamiento, y el carbono como ánodo para la extracción.

Los diseños y productos químicos precisos varían de un modelo a otro, pero se considera que los iones de litio tienen una densidad de energía y una rentabilidad superiores a las de cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energía. Las capacidades pueden variar desde varios KW con unos minutos de almacenamiento, hasta variantes multimegavatio adecuadas para subestaciones de servicios públicos.

Sin embargo, los iones de litio no son perfectos. Las tasas de descarga e incluso las condiciones climáticas tienen un impacto en los niveles de eficiencia. Por supuesto, la degradación es inevitable y el gran número de componentes de iones de litio exige un sistema de gestión de baterías más estricto que los equivalentes de zinc híbrido.

Sin embargo, la confianza en la tecnología sigue siendo elevada y el potencial de inversión es considerable. Con el crecimiento del impulso, se estima que para finales de la década se necesitarán entre 120 y 150 nuevas fábricas de baterías para satisfacer el apetito de la industria por soluciones de almacenamiento ecológico.^[5] Un estudio del año pasado sugiere que la cadena de baterías de iones de litio (que cubre todo el viaje desde la minería mineral hasta el reciclaje) se ampliará en un 30 % entre hoy y 2030, alcanzando un tamaño de mercado de 4,7 TWh y un valor financiero de más de 400 millones de USD.

Incluso si las unidades de iones de litio siguen siendo líderes de la industria, se están investigando alternativas que podrían impulsar aún más el sector del almacenamiento de energía.

Baterías alternativas con tecnologías revolucionarias

La investigación sobre tecnologías de baterías alternativas, que podrían igualar o incluso superar la eficiencia de los iones de litio, ha producido algunos resultados tentadores.

• Baterías de iones de sodio: si la oferta de litio disminuye o si el mercado necesita diversificarse, el ion de sodio representa una alternativa potente. Las unidades de iones de sodio tienen densidades de energía más bajas que los equivalentes de litio (120-160 vatios-hora por kg frente a 170-190 vatios-hora por kg) y ciclos de vida más cortos (de 2000 a 4000 recargas frente a 4000 a 8000), pero producirlas cuesta hasta cinco veces menos.^[6] Al ser menos propensas a un “embalamiento térmico” (calentamiento incontrolable de electrolitos inflamables), también pueden considerarse potencialmente más seguras. Solo en 2023, al menos seis nuevos fabricantes comenzaron la producción de baterías de iones de sodio.
• Baterías de flujo: estas celdas de combustible recargables gigantes producen energía a través de un par de componentes químicos disueltos en líquido y divididos por una membrana. Cuando están en funcionamiento, los electrolitos se bombean desde los tanques a través de electrodos para extraer los electrones, antes de recargarse y devolverse al tanque de almacenamiento. Las baterías de flujo temprano requerían vanadio, un metal raro y costoso, pero algunas iteraciones posteriores intercambian el vanadio por compuestos orgánicos más sostenibles que también atrapan y liberan electrones. Dichos dispositivos podrían llegar a suministrar energía a miles de hogares durante muchas horas. Aunque las baterías de flujo tienen densidades de energía y tasas de descarga más bajas que muchos materiales electroactivos sólidos, están demostrando rápidamente ser viables a escala de servicios públicos. La ciudad portuaria china de Dalian comenzó el año pasado a operar una batería de flujo de 400 MWh y 100 MW, lo que permitió a sus habitantes aprovechar ampliamente la energía eólica y solar.

• Almacenamiento de energía de aire comprimido: en este sistema, el excedente de energía se utiliza para comprimir el aire y almacenarlo dentro de un recipiente grande y presurizado, antes de liberarlo gradualmente a través de una turbina giratoria para generar electricidad. Para minimizar los costes, a veces se puede almacenar aire comprimido en espacios existentes, como minas de sal sin usar. Aunque la tecnología no es nueva, actualmente se están investigando métodos para almacenar el calor generado durante la compresión y reutilizarlo como catalizador de expansión cuando llega el momento de descargar energía. En el Reino Unido, un proyecto dirigido por una universidad está investigando el uso de “bolsas energéticas” de alta mar como recipientes de almacenamiento. Con este método, el coste por unidad de energía almacenada podría caer a 1-10 GBP/kWh, considerablemente más barato que el almacenamiento bombeado (50 GBP/kWh) o el almacenamiento electroquímico (500 GBP/kWh).^[7]
• Baterías mecánicas de gravedad: estos sistemas utilizan bloques con peso que se levantan en una torre y luego se hacen descender durante los períodos de déficit de energía para generar electricidad a través de la fuerza gravitacional natural. Tiene sentido: después de todo, todo lo que sube tiene que bajar. La masa de una batería de gravedad combinada con su descenso gradual crea una gran cantidad de par que genera la máxima potencia al instante. Estas baterías de gravedad mecánica también pueden ayudar a mantener el equilibrio de la red, erradicando el tipo de fluctuaciones que plantean un riesgo de apagones y daños en la infraestructura. Energy Vault, con sede en Suiza, pone este año los toques finales a dos proyectos de baterías de gravedad, cada uno diseñado para mostrar la versatilidad de la tecnología. Uno, cerca de Shanghái, China, tendrá una capacidad de almacenamiento de energía de 100 MWh con el potencial de alimentar 3400 hogares. Otro sistema, en Texas, EE. UU., cuenta con una estructura de 140 metros de altura con una capacidad de energía total de 36 MWh.^[8]
• Baterías de arena: estos dispositivos en desarrollo utilizan arena (o un sustituto similar) como medio de almacenamiento de calor a alta temperatura, normalmente para la energía generada a partir de fuentes eólicas o solares. Una vez desplegada, la energía se puede utilizar para calentar edificios directamente o para proporcionar vapor para procesos industriales que normalmente dependen de combustibles fósiles. Aunque la tecnología está pendiente de una adopción masiva, ya hay un ejemplo en funcionamiento en Finlandia. Operada por la empresa de servicios públicos Vatajankoski, la batería de arena de la ciudad de Kankaanpää calienta una serie de edificios comerciales y domésticos. El kit, compuesto por un silo de acero aislado lleno de tubos de transferencia de arena y calor, puede alcanzar alrededor de 600 ºC y contener hasta 8 MWh de energía térmica cuando está lleno. Con su alta tolerancia a la temperatura, la arena puede retener varias veces la cantidad de energía que podría contener un depósito de agua equivalente. Sin embargo, actualmente convertir ese calor de nuevo en electricidad tiene una tasa de eficiencia de solo el 30 %. Las baterías de arena podrían ser una solución duradera, puesto que la ausencia de reacciones químicas evita el proceso de desgaste de las baterías normales. El equipo detrás del proyecto finlandés tiene grandes esperanzas en la tecnología y considera que las baterías de arena podrían llegar a ser viables para cualquier lugar del mundo con un sistema de calefacción por distritos.[9]

Para maximizar el potencial de las tecnologías de almacenamiento en baterías, las partes interesadas deben canalizar los fondos hacia las áreas de investigación adecuadas y garantizar la industrialización a gran escala. A fin de beneficiar tanto al medioambiente como a los resultados, el sector debe centrarse en la sostenibilidad, la transparencia y la resiliencia a lo largo de toda la cadena de valor.

Cortocircuitar los problemas de la adopción de las baterías

En el viaje hacia un futuro alimentado por baterías se esperan ciertos desafíos, todos molestos, pero ninguno insuperable.

La minería y el refinamiento de minerales de tierras raras agota los recursos naturales, degrada la tierra, genera residuos, contamina el suelo y el agua y provoca la pérdida de biodiversidad. En los mercados emergentes, donde se obtienen muchos de los componentes fundamentales para las baterías, pueden surgir problemas por cuestiones como los derechos indígenas y el trabajo forzado.

Se espera que la demanda de carbonato de litio sea mayor de 3000 kilotones para 2030, superando con creces los 600 kilotones producidos en 2021 y los 1500 kilotones previstos para 2030, según los acuerdos de minería actuales.^[10]

Unas normativas más estrictas, una mayor transparencia y una planificación más previsora pueden ayudar a las partes interesadas del sector público y privado a sortear posibles obstáculos ESG (medioambientales, sociales y de gobernanza).

Históricamente, la cadena de valor de las baterías también se ha visto obstaculizada por la volatilidad de los precios. En plena crisis de los costes de vida globales, la descarbonización podría retrasarse fatalmente por los elevados costes de las baterías. En este contexto, sigue sin estar claro cómo la industria podría ampliarse lo suficiente para satisfacer las necesidades futuras.

También hay que tener en cuenta los cambios en las políticas nacionales. Para soportar los desafíos de las cadenas de suministro interrumpidas, la escasez de mano de obra cualificada y la disparidad en la protección de la propiedad intelectual internacional se necesita una mayor cohesión.

Si se introducen rápidamente, las estrategias de mitigación pueden ayudar. Los contratos a largo plazo y la integración vertical de la cadena de suministro podrían proporcionar certeza e impulsar la confianza de los inversores. Para ganarse los corazones y las mentes, la minería disruptiva de minerales de tierras raras debe estar vinculada a un movimiento social y una agenda de crecimiento más amplios.

Las baterías han demostrado repetidamente su valor medioambiental en todo el camino, desde la producción hasta la eliminación, así que la industria no tiene intención de quedarse quieta. Pero, ¿cómo será el éxito? Según los expertos, un ecosistema de baterías saludable y sostenible para 2030 tendrá tres características obligatorias:^[11]

• Una red de suministro resistente: en un escenario ideal, las regiones adquirirían en gran medida sus propios materiales para satisfacer la demanda nacional.
• Sostenibilidad: para descarbonizar nuestra sociedad, las industrias de almacenamiento de energía deben descarbonizarse activamente, garantizando una caída del 90 % en las emisiones de materiales y fabricación para finales de la década.
• Una cadena de valor circular: los materiales que se acercan al final de su vida útil deben reprocesarse rigurosamente y volver a introducirse en el sistema. Esto minimizará los residuos a la vez que extraerá el máximo valor económico, que está previsto que represente 6000 millones de USD adicionales en beneficios para 2040.

La armonización del ecosistema de almacenamiento de energía requerirá el apoyo entusiasta de los legisladores dotados con una visión audaz del sector privado. Los disruptores e innovadores, como Abdul Latif Jameel, pueden ayudar a marcar el comienzo de este futuro más brillante.

El sector privado aporta poder a las personas

Fotowatio Renewable Ventures (FRV), el negocio insignia de energía renovable de Abdul Latif Jameel, se centra no solo en generar electricidad verde a partir de energía eólica y solar, sino también en proyectos pioneros de almacenamiento de energía.

En 2022 obtuvo financiación para su último sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS), una planta de iones de litio de 250 MW en Gnarwarre, Victoria, Australia. El pacto se hizo popular tras su acuerdo para construir el BESS de 100 MW en Terang, ubicado también en Victoria.

La rama de innovación de FRV, FRV-X, está desarrollando una gran reputación en los proyectos BESS a escala de servicios públicos en todo el mundo, garantizando fuentes de alimentación las 24 horas para hogares e industrias.

FRV ya participa en proyectos BESS en el Reino Unido en Clay Tye , Essex (99 MW/198 MWh); Holes Bay, Dorset (7,5 MW/15 MWh); y Contego, West Sussex (34 MW/68 MWh).

También opera una planta solar híbrida y BESS en Dalby, Queensland, Australia.

En 2022, FRV compró dos proyectos BESS adicionales en el Reino Unido, además de una participación mayoritaria en un proyecto BESS en Grecia. FRV-X cuenta con más de 500 MW en proyectos de almacenamiento en baterías operativos en una serie de mercados clave.

“Estamos orgullosos de ser líderes en innovación de almacenamiento de energía sostenible, ayudando a lograr un futuro más viable para todos nosotros”, comentó Fady Jameel, presidente adjunto y vicepresidente de Abdul Latif Jameel.

“Desde una perspectiva tecnológica, estamos dominando el arte de generar energía verde de forma limpia y económica. Los sistemas de almacenamiento eléctrico eficientes son el eslabón perdido en nuestro camino hacia una sociedad verdaderamente sostenible. Hay una gran emoción dentro de la industria por la velocidad actual de la evolución de la tecnología de baterías, y estamos orgullosos de formar parte de ese esfuerzo conjunto”.

Los datos inspiran una gran confianza. Los mercados mundiales de baterías podrían proteger hasta 18 millones de puestos de trabajo para 2030, tanto creando nuevos como asegurando los existentes.^[12] Solo en el sector del transporte por carretera, la próxima revolución de las baterías podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en hasta 70 gigatones de equivalente de CO₂ (GtCO2e) para 2050.

El anhelo de una energía verde fiable y versátil no es exclusivo de un clima o cultura en particular. Prueba de ello es que se está realizando una enorme financiación en todo el mundo. En EE. UU., gracias a la Ley de Reducción de la Inflación de 2022, las partes interesadas están compitiendo por una porción de los 370 000 millones de USD del fondo destinado a inversiones en energía limpia. Al otro lado del Atlántico, en Europa, la crisis energética desencadenada por la situación entre Rusia y Ucrania está fomentando una reevaluación del suministro y el almacenamiento que da prioridad a la innovación. El Pacto Verde Europeo pretende movilizar al menos 1 billón de euros en inversiones medioambientales en energía limpia y sostenibilidad durante la próxima década.^[13]

No es de extrañar que se prevea que el sector BESS crezca a una media del 29 % anual desde ahora hasta 2030.

Para ese año, los 450 a 620 GWh de instalaciones anuales a escala de servicios públicos establecerán una cuota de mercado del 90 %.^[14] ¿Suena demasiado ambicioso? Nunca. Asegurar una red significativa de instalaciones de almacenamiento en baterías a escala de servicios públicos significa liberar de una vez por todas el freno de mano en nuestra imprescindible transición ecológica.

[1] https://www.irena.org/News/pressreleases/2023/Mar/Record-9-point-6-Percentage-Growth-in-Renewables-Achieved-Despite-Energy-Crisis

[2] https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/what-is-battery-storage

[3] https://documents.worldbank.org/en/publication/documents-reports/documentdetail/873091468155720710/Understanding-CO2-emissions-from-the-global-energy-sector

[4] https://www.windpowerengineering.com/how-three-battery-types-work-in-grid-scale-energy-storage-systems/

[5] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[6] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems

[7] https://www.thegreenage.co.uk/tech/compressed-air-energy-storage/

[8] https://interestingengineering.com/innovation/two-massive-gravity-batteries-are-nearing-completion-in-the-us-and-china

[9] https://www.bbc.com/future/article/20221102-how-a-sand-battery-could-transform-clean-energy

[10] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[11] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[12] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular

[13] https://eucalls.net/blog/the-basics-of-the-european-green-deal

[14] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems