En la lucha por acabar con las emisiones de carbono que calientan el planeta, las baterías recargables de iones de litio se han convertido en una tecnología clave. Pueden impulsar coches eléctricos que recorren más de 300 millas (más de 480 kilómetros) por carga. Pueden almacenar suficiente electricidad para abastecer millones de hogares durante horas. Y son una parte central de la capacidad de las centrales eléctricas para almacenar cantidades cada vez mayores de energía renovable.
Pero si están mal hechos, también pueden sobrecalentarse y provocar incendios químicos tóxicos. No siempre son fiables, y en los coches eléctricos no han logrado ofrecer el campo de prácticas que afirman ciertas compañías. También son caros: el carbonato de litio de la batería cuesta más de 37.600 dólares por tonelada métrica, según Trading Economics. Además, solo retienen energía durante horas, no días. Y en la carrera por aumentar la energía renovable, ese es un gran problema durante los períodos de días nublados o sin viento.
Por eso, el exvicepresidente del negocio de energía estacionaria de Tesla, Mateo Jaramillo, se está enfocando en construir baterías hechas con hierro, un material abundante y barato que solo cuesta $115 la tonelada. Dice que su startup, Form Energy, ha creado baterías de hierro-aire que pueden almacenar electricidad durante al menos 100 horas, mucho más que las cuatro a seis horas que proporcionan los paquetes de iones de litio a gran escala.
“En el mundo, hay hierro y luego todo lo demás, por orden de magnitud”, dijo Jaramillo, de 46 años, a Forbes. “Tener una batería basada en hierro significa que puedes escalarla tanto como quieras. No hay limitación de materia prima”.
Para comercializar su tecnología de baterías, Form, con sede en Boston, ha recaudado más de 810 millones de dólares de patrocinadores, incluidos Breakthrough Energy Ventures, TPG y Energy Impact Partners de Bill Gates. Pero Jaramillo tiene claro que no está tratando de reemplazar las baterías de iones de litio, que cree que seguirán abaratándose durante esta década. En cambio, el rival de Form son los generadores alimentados con gas natural que respaldan la red eléctrica cuando la demanda de energía aumenta, como durante las olas de calor prolongadas.
Jaramillo apunta a una parte del mercado mundial de almacenamiento de energía, que tuvo un valor de 430 mil millones de dólares el año pasado y podría superar los 1,7 billones en una década, según una estimación de Global Market Insights, e incluye baterías, energía hidroeléctrica bombeada y otras tecnologías que no son baterías. Los investigadores calcularon el costo de actualizar la red de EE. UU. para manejar niveles mucho más altos de energía renovable y agregar mucho más almacenamiento de energía de 5 billones a 21 billones en los años y décadas venideros.
Para conseguirlo, Form está construyendo su primera fábrica, una instalación de 760 millones de dólares, en el lugar de una antigua planta de acero en Weirton, West Virginia. El estado ha proporcionado un paquete de incentivos por valor de hasta 290 millones. Form tiene como objetivo comenzar a entregar sus módulos de hierro-aire a los clientes de servicios públicos, incluidos Xcel Energy y Georgia Power, para 2025.
Almacenamiento para los días nublados y sin viento
Para cumplir con el objetivo nacional de una producción de electricidad 100 % limpia para 2035, las instalaciones de energía solar y las turbinas eólicas están surgiendo en todo el país. Pero el sol no siempre luce y el viento no siempre sopla, de ahí la necesidad de almacenar energía cuando hay un exceso y continuar proporcionando electricidad cuando la generación de energía renovable disminuye.
Tener una batería basada en hierro significa que puedes escalarla tanto como quieras. No hay limitación de materia prima”.
Las baterías no son la única opción, pero se pueden usar en cualquier lugar, a diferencia de las alternativas relativamente baratas, como la energía hidroeléctrica bombeada (en la que el agua se bombea a un depósito en una elevación más alta con energía excedente y luego se libera para hacer girar las turbinas en un depósito más bajo cuando sea necesario) o almacenamiento de aire comprimido (utilizando el excedente de energía para comprimir el aire que se encuentra en los depósitos vacíos de gas natural y otros espacios subterráneos que pueden liberarse más tarde para impulsar las turbinas). Y los iones de litio es la opción más popular.
La Administración de Información de Energía estima que EE. UU. tenía 22,4 gigavatios hora de almacenamiento en baterías a gran escala, casi en su totalidad de iones de litio, a fines de 2022, liderado por grandes instalaciones en California y Texas. Eso es suficiente energía para casi 20 millones de hogares. La rápida incorporación de sistemas de almacenamiento de baterías es una de las razones por las que los dos grandes estados están en mejores condiciones para capear las olas de calor de este año.
“Las baterías de iones de litio son muy fáciles de adquirir e instalar. Esa es la solución actual, pero no estoy convencido de que vaya a ser la solución para todas las necesidades de almacenamiento en el futuro”, dijo el experto en energía Michael Webber, profesor de la Universidad de Texas en Austin. “El problema para el que nos estamos preparando es cuando hay días nublados y sin viento”, lo que él llama “el problema de los cinco a 11 días”.
Webber, quien también es director tecnológico de Form Investor Energy Impact Partners, dice que la mayoría de las empresas de servicios públicos tienen baterías optimizadas que usan en la red para que entren en funcionamiento de 4:00 p. m. a 8:00 p. m. cuando aumenta la demanda de los clientes y baja la energía renovable. El ion de litio funciona bien en este caso, ya que puede enviar energía almacenada a los clientes rápidamente. Pero la red también necesita una opción de almacenamiento a más largo plazo.
“La forma en que lo pienso es que nuestro cuerpo tiene músculos de contracción rápida y de contracción lenta, con algunos músculos para correr y otros para la resistencia. Los iones de litio son una especie de músculos de contracción rápida; es excelente para una respuesta rápida, pero en algún momento te quedas sin jugo y luego tienes que cambiar a los músculos del corredor de maratón, que será algo diferente”, dijo.
La batería frente al gas natural
El sistema de Form está destinado a competir con las plantas de energía de gas natural, que son buenas para aumentar la generación de electricidad para satisfacer los patrones volátiles de la demanda diaria y son la principal solución para esto en este momento. ¿Necesitas más potencia? Solo quema más gasolina. Para tener éxito, Form debe ofrecer un sistema seguro y económico que pueda competir en costo con las plantas de gas natural, además de eliminar las emisiones de carbono.
El objetivo de la compañía es entregar módulos de batería que cuestan 20 dólares/kilovatio hora, lo que se acerca al precio para operar este tipo de sistemas a base de gas natural (además de gastar alrededor de 300 millones de dólares para construir una planta). En comparación, las baterías de iones de litio actualmente cuestan alrededor de 150 dólares/kilovatio hora, aunque ese precio podría caer un 50% o más para fines de la década.
Los iones de litio son una especie de músculos de contracción rápida; es excelente para una respuesta rápida, pero en algún momento te quedas sin jugo y luego tienes que cambiar a los músculos del corredor de maratón, que será algo diferente”.
Un sistema de batería de larga duración que cueste 20 dólares/kilovatio hora sería atractivo para las empresas de servicios públicos, dijo Halle Cheeseman, directora de programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía-Energía, o ARPA-E, que otorga subvenciones federales para el almacenamientos prometedores de energía. tecnologías (Form ganó un premio de 2.9 millones de dólares en 2019 por un sistema de almacenamiento de red de azufre acuoso, una tecnología de la que se alejó en 2021).
Pero eso también depende de cuánto duren las baterías de Form. La empresa cree que se podrán utilizar durante 10 años y Jaramillo cree que podrían tener una vida útil de dos décadas.
“Las baterías, en gran medida, especialmente las baterías recargables, son sistemas termodinámicamente inestables. Los juntas y comienzan a degradarse”, dijo el científico de baterías Robert Kostecki, director de la división de almacenamiento de energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. “¿Cómo de bien se puede controlar este fenómeno de degradación independientemente de la química específica que puedan tener? Es posible que tenga componentes baratos, pero si se degradan demasiado rápido, el coste total lo matará”.
Hierro y aire
Lo que hace que las baterías de hierro-aire sean mucho más baratas es cómo funcionan y su dependencia de materiales de bajo coste.
“Básicamente, es una batería a base de óxido: hierro para el ánodo y aire para el cátodo”, dijo Cheesman del DOE. “Es difícil en términos de coste básico imaginar dos materiales más baratos que el hierro y el aire”.
La forma en que funciona la batería es que una placa de hierro poroso se sumerge en una solución electrolítica a base de agua. Genera un ciclo electroquímico que la empresa describe como oxidación “reversible”. A medida que descarga electricidad, la batería absorbe oxígeno del aire y convierte el metal de hierro en óxido. Durante la carga, la corriente eléctrica que fluye convierte el óxido en hierro y la batería libera oxígeno. Pero el hierro en sí nunca se consume, lo que hace que las baterías sean muy duraderas.
“Es difícil en términos de costo básico imaginar dos materiales más baratos que el hierro y el aire”.
Estas baterías de hierro-aire no se pueden hacer tan pequeñas como las baterías de iones de litio, pero dado que están diseñadas para uso estacionario, no para automóviles, el tamaño es un problema menor. El paquete de baterías de Form, cargado con múltiples celdas individuales, se empaquetará en un recinto de 40 pies y tendrá 5 megavatios de electricidad, suficiente para alimentar 3750 hogares. Hay poco riesgo de incendio, por lo que se pueden colocar varios paquetes uno al lado del otro o incluso apilarlos.
El aire de hierro es solo una de las muchas químicas posibles que los científicos y las nuevas empresas están preparando para mantener la electricidad durante períodos prolongados. Las tecnologías que incluyen baterías de flujo, en las que los componentes químicos disueltos en líquidos se bombean a través de lados separados de una membrana, como las que usan vanadio, son una opción, al igual que las baterías de flujo de hierro producidas por el rival de Form, ESS. Las baterías a base de sodio y zinc también son prometedoras. Actualmente, los desarrolladores de esas químicas dicen que sus paquetes de red pueden almacenar energía durante aproximadamente 12 horas, mucho menos que las 100 horas que Form pretende entregar.
Pero hacer eso a bajo coste parece un desafío para Kostecki de Berkeley Lab, dado que no se ha verificado la vida útil en el mundo real.
“La mayor preocupación de todos los sistemas, independientemente de si se trata de aire de iones de litio, vanadio, zinc o hierro, es que el coste es 3 veces más alto en el mejor de los casos: el costo por kilovatio hora por ciclo” en comparación con el gas natural y sistemas tradicionales de almacenamiento sin batería, dijo.
Las baterías de iones de litio modificadas también pueden mantener la energía durante más tiempo que las versiones actualmente en el mercado, dijo Taylor Kelly, líder técnico sénior del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, o EPRI.
“Históricamente, el caso de uso de iones de litio ha sido de cuatro horas, por lo que han sido diseñados para hacer eso”, dijo. Pero en una convocatoria reciente de la Comisión de Energía de California para sistemas de almacenamiento de energía de 10 horas, «las baterías de iones de litio ganaron esas ofertas», dijo. “Entonces vemos que se puede presionar para que tenga una duración más larga”.
Con su financiación y el paso a la producción comercial durante los próximos 18 meses, Jaramillo cree que Form Energy está posicionada para ingresar al mercado antes que las baterías de larga duración de la competencia. Pero Kostecki aún no puede decir qué batería resultará ser la mejor opción.
“No lo sabemos con certeza, aunque es muy alentador que la gente esté progresando y haya comenzado a trabajar para solucionar problemas relacionados con la química y la fabricación”, dijo. “Pero, ¿puede realizarse en una escala de teravatios? Todavía no lo sabemos”.
