Las baterías están en todas partes. Están en nuestros teléfonos, en nuestros aviones, en nuestros automóviles que funcionan con gasolina, incluso, en el caso de personas con marcapasos u otros dispositivos médicos implantados, nuestros cuerpos.
Sin embargo, las baterías que realmente van a importar en el futuro no son las que lo ayudarán a jugar Angry Birds en su teléfono durante 12 horas seguidas o encender su vehículo en una fría mañana de invierno. Las baterías con el potencial de transformar la perspectiva energética del mundo impulsarán los vehículos eléctricos y proporcionarán almacenamiento para la red eléctrica.
"Si pudieras agitar una varita mágica y resolver los problemas energéticos del mundo, solo necesitarías cambiar una cosa: las baterías", dice Ralph Eads, vicepresidente de la empresa de banca de inversión Jeffries LLC, que invierte en nuevas tecnologías energéticas.
El problema con la energía no es que no tengamos suficiente; Las nuevas tecnologías como la perforación horizontal y la fractura hidráulica, o "fracking", han desbloqueado recientemente cantidades de combustibles fósiles inimaginables hace solo una década. El problema es que nuestra dependencia de esos combustibles fósiles para la mayoría de nuestra energía es gravemente poco saludable, provoca millones de muertes prematuras anualmente y altera el clima de manera drástica e impredecible.
Pero los combustibles fósiles no son una fuente popular de energía solo porque son tan abundantes. Son populares porque pueden almacenar mucha energía en una pequeña cantidad de espacio. Las baterías también almacenan energía, pero en una comparación libra por libra, simplemente no pueden competir. El lugar más fácil para demostrar esta diferencia es en un automóvil:
La batería del híbrido Toyota Prius tiene alrededor de 225 vatios-hora de energía por libra. Esa es la densidad de energía de la batería del automóvil: la cantidad de energía que se puede almacenar por unidad de volumen o peso. La gasolina en ese Prius contiene 6, 000 vatios-hora por libra. La diferencia de densidad de energía entre los combustibles líquidos de petróleo e incluso las baterías más avanzadas crea un escenario en el que un Chevrolet Suburban de 7, 200 libras puede recorrer 650 millas con un tanque de gasolina y un Nissan Leaf totalmente eléctrico, que pesa menos de la mitad, tiene un alcance de solo alrededor de 100 millas.
Y a pesar de que alrededor del 80 por ciento de los viajes en automóvil de los estadounidenses van a menos de 40 millas, la investigación de los consumidores ha demostrado que los conductores sufren de "ansiedad por el alcance". Quieren autos que puedan realizar largos viajes por carretera, así como viajar al trabajo y hacer diligencias por la ciudad.
La densidad energética se ha mantenido como la mejor versión de las baterías durante 100 años. Cada vez que aparece una nueva tecnología o diseño que aumenta la densidad de energía, sufre otro aspecto crucial del rendimiento de la batería, por ejemplo, la estabilidad a altas temperaturas o la cantidad de veces que se puede drenar y recargar. Y cuando uno de esos aspectos mejora, la densidad de energía sufre.
La tecnología de fosfato de litio y hierro es un buen ejemplo. Estas baterías, del fabricante chino BYD, se utilizan ampliamente en vehículos eléctricos e híbridos en el sur de China. Se cargan más rápido que las baterías de iones de litio que son comunes en otros vehículos eléctricos, como el Leaf, pero son menos densas en energía.
Otro aspecto muy valorado en el diseño de la batería es cuántas veces se pueden cargar y drenar las baterías sin perder su capacidad de almacenar energía. Las baterías de hidruro de níquel-metal, o NiMH, que han sido el caballo de batalla para los vehículos híbridos, incluidos el Prius y el Escape híbrido de Ford durante más de una década, funcionan bien en esta categoría. Ted J. Miller, que trabaja en tecnología avanzada de baterías para Ford Motor Company, dice que Ford ha sacado las baterías de los híbridos Escape en uso para 260, 000 millas de servicio de taxi en San Francisco y descubrió que todavía tienen el 85 por ciento de su capacidad de energía original . Esa durabilidad es una ventaja, pero para los vehículos puramente eléctricos, las baterías de NiMH son mucho más pesadas por la misma cantidad de energía almacenada por una batería de iones de litio; El peso adicional reduce el alcance del vehículo. Las baterías de NiMH también son tóxicas, por lo que no hay que tirarlas a la basura cuando se quedan sin jugo. Deben reciclarse. Y debido a que el níquel puede ser más escaso en el futuro que el litio, estas baterías podrían ser más caras.
Las baterías de polímero de iones de litio tienen una densidad de energía ligeramente más alta que las versiones normales de iones de litio (un prototipo de vehículo Audi recorrió 372 millas con una sola carga), pero no pueden cargarse y agotarse tantas veces, por lo que tienen menor resistencia.
Vale la pena recordar que a pesar de estas limitaciones, las baterías diseñadas para alimentar automóviles han recorrido un largo camino en un período de tiempo relativamente corto: hace solo 40 años, una batería con menos de la mitad de la densidad de energía de las que se encuentran en los híbridos y vehículos eléctricos de hoy en día era considerado un sueño exótico, y seguramente mejorarán aún más. "Vemos un camino claro para duplicar la capacidad de la batería", dice Miller de Ford. "Eso es sin cambiar drásticamente la tecnología, sino mejorar el proceso para que tengamos baterías automotrices de alta calidad con el mismo contenido de energía que encontramos en los dispositivos portátiles de hoy".
Tal batería para vehículos totalmente eléctricos transformaría el transporte, haciéndolo mucho más amigable con el clima. El transporte representa alrededor del 27 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de los EE. UU., Y alrededor del 14 por ciento de las emisiones mundiales. El noventa y cinco por ciento de los vehículos de pasajeros estadounidenses funcionan con petróleo. Si esos automóviles y camiones pudieran ser reemplazados por vehículos eléctricos, si se redujera significativamente la contaminación, incluso si la electricidad continúa viniendo principalmente del carbón, el Departamento de Energía ha descubierto. Esto se debe a que los motores de combustión interna son muy ineficientes y pierden hasta el 80 por ciento de la energía de su combustible para calentarse, mientras que los motores eléctricos emplean casi toda su energía en impulsar el vehículo.
Las baterías también pueden desempeñar un papel en el cambio de la fuente de nuestra electricidad, almacenando energía producida a partir de fuentes renovables como la eólica y la solar. A medida que las empresas de servicios públicos han aumentado el porcentaje de electricidad que producen a partir de estas fuentes, el principio rector ha sido que las plantas de energía a gas natural serían necesarias para satisfacer la demanda cuando las turbinas eólicas y las células fotovoltaicas no están produciendo. Si el exceso de energía renovable producida cuando la demanda es baja podría transferirse a una batería, almacenarse sin pérdidas significativas y drenarse rápidamente cuando la demanda aumenta, y si el sistema fuera lo suficientemente barato, obviaría la necesidad de ambas plantas renovables. reemplazar, y las plantas de gas natural consideradas esenciales para acompañar la energía eólica y solar.
"Las baterías de gran volumen que pueden cambiar la energía en el tiempo cambiarían el juego", dice Peter Rothstein, presidente del Consejo de Energía Limpia de Nueva Inglaterra.
Las baterías que almacenan energía para la red tienen requisitos diferentes a los que se usan en los automóviles, porque los vehículos requieren baterías relativamente compactas que pueden transferir su energía casi instantáneamente. Por lo tanto, las tecnologías que no funcionan bien para alimentar vehículos eléctricos pueden ser excelentes para almacenar energía para la red.
Las baterías de litio-aire, una tecnología relativamente nueva que ha generado mucha emoción, pueden tener una mayor densidad de energía que las baterías de litio existentes, pero proporcionan mucha menos potencia que la necesaria para acelerar un vehículo, dice Miller de Ford. "Si necesita 120 kilovatios de capacidad de energía, con litio-aire puede necesitar de 80 a 100 kilovatios-hora de energía de la batería para cumplir con ese requisito", explica Miller. "Esa es una batería muy grande y muy engorrosa". No funcionaría bien en un automóvil: el Ford Focus EV, en comparación, usa un poco más de 100 kilovatios de potencia con una batería de 23 kilovatios-hora, pero podría cuando se sienta al lado de un parque eólico.
Las baterías de flujo de vanadio, otro desarrollo prometedor, también tienen alta densidad de energía y tienen un tiempo de descarga rápido, lo que las hace ideales para el almacenamiento. Esa es la aplicación para la cual Ron MacDonald, CEO de American Vanadium, los está lanzando. "Hay muchas buenas opciones de almacenamiento, pero cada una tiene un problema", reconoce MacDonald. "Nuestro problema siempre ha sido el costo inicial, porque somos más caros". Sin embargo, una batería de flujo de vanadio puede durar 20 años, "así que estamos por debajo de la mayoría de los demás si se observa el costo durante la vida útil de la batería". él dice.
Pero el desarrollo de la llamada red "inteligente", que utilizará algoritmos avanzados y tecnología de comunicaciones para responder rápidamente a medida que el suministro de energía y la demanda de los consumidores disminuyan y fluyan, y el almacenamiento distribuido tal vez haya hecho que sean menos baterías más densas en energía que Los expertos han pensado en el pasado. Con decenas de miles de baterías pequeñas en automóviles, semáforos y en otras partes de una ciudad, una empresa de servicios eléctricos podría, en teoría, reducir la energía de estas baterías en momentos de alta demanda y devolver la energía a los clientes varias horas después.
Las empresas de servicios públicos también pueden intentar cambiar cuándo y cómo las personas usan la energía al cobrar tarifas exorbitantes por la compra de electricidad en cierto nivel durante los períodos de alta demanda. Se desaconsejará a los clientes colocar cargas elevadas en el sistema, como operar electrodomésticos grandes o cargar su automóvil eléctrico, durante esos momentos. Al igual que las baterías, tales prácticas aplanarían la curva de las necesidades de producción de electricidad impuestas a la empresa de servicios públicos.
"La respuesta a la demanda tendrá un papel tan importante como el almacenamiento", dice Randy Howard, director de planificación y desarrollo de sistemas de energía del Departamento de Agua y Energía de Los Ángeles.
No obstante, a Howard le gustaría ver que una batería traiga a las empresas de servicios públicos el tipo de avance que han visto los productores de petróleo y gas. "Todos tenemos la esperanza de que en algún momento habrá un salto tecnológico en las baterías, pero eso aún no ha sucedido", dice Howard. "Estamos buscando nuestro fracking en el mundo de las baterías".
