Las baterías permiten por un lado sustituir los motores de combustión tradicionales en sectores de movilidad y transporte por motores eléctricos con menores emisiones de CO2, aspecto clave para reducir la contaminación medio-ambiental. Además, y centrándonos en generación de electricidad a partir de energías renovables, permiten adecuar la demanda energética en el ámbito social-industrial a los ciclos de generación variables de tecnologías de generación alternativas como la eólica o la fotovoltaica. De esta forma, se compensa el carácter intermitente de generación y se sustituye por un suministro estable de energía.
Aparte de contribuir a mitigar los efectos del cambio climático en cuanto a reducción de emisiones y generación sostenible, las baterías también juegan un papel importante en el diseño e implementación de redes de suministro inteligentes (Smart Grids). Proporcionan una serie de servicios auxiliares que conllevan una mayor eficiencia energética global y de ahorro, además de múltiples beneficios medioambientales, económicos y sociales. Como complemento al almacenamiento de la energía generada por diferentes sistemas de generación para su uso posterior en función de la demanda, las baterías pueden ofrecernos diferentes funciones inteligentes de red como: gestión de horarios, regulación de la frecuencia y la tensión primarias, seguimiento de la carga, gestión de inercias, etc.
Con todo ello, contribuyen de forma fundamental a reforzar la capacidad de las energías renovables y a conseguir un sistema de generación y distribución más eficiente, sostenible, con bajas pérdidas y con altos niveles de calidad en el suministro.
Tecnologías
La química y los materiales de las baterías compatibles con los sistemas de almacenamiento de energía ha ido evolucionando con el tiempo. Las tradicionales baterías de NiCd han sido sustituidas por baterías de iones de litio debido, por un lado, a la mejora de las características técnicas, y por el otro, por el continuo descenso de su coste. Estas últimas tienen mayores densidades de potencia y energía, no tienen efecto memoria, pueden recargarse en cualquier momento y la tasa de autodescarga es muy baja. Además, las celdas de ion-litio tienen una vida útil considerablemente más larga que las alternativas más tradicionales basadas en NiCd o Pb-ácido.
Centrándonos ya en las baterías de ion-litio, los materiales activos elegidos para la fabricación de los cátodos definen principalmente la “química” y las propiedades de la batería. Dos son las principales corrientes que se están posicionando y tomando peso para ambas aplicaciones: tanto vehículo eléctrico o movilidad, como sector estacionario o generación a partir de renovables.
Propiedades y química
Por un lado, tenemos las baterías tipo LFP (ferrofosfato de litio) y por otro las baterías tipo NMC/NCA (níquel, manganeso y cobalto el primero; níquel, cobalto y aluminio el segundo). Las celdas de NMC muestran unas densidades energéticas en torno a los 150-250 Wh/Kg, dependiendo del balance entre las cantidades utilizadas de Ni, Mn y Co para su composición; mientras que las NCA se encuentran típicamente entre 200-260 Wh/Kg, pudiendo llegar a superar en algunos casos los 300 Wh/Kg. En cambio, las LFP se sitúan normalmente en el rango entre 150-170 Wh/Kg, llegando en el mejor de los casos a alcanzar 190-200 Wh/kg, lo que deriva en la necesidad de diseñarlas y fabricarlas en mayores tamaños que las otras dos alternativas debido a su menor densidad de energía, y ocupando por tanto mayor espacio y volumen.
Las tecnologías de LFP sin embargo, garantizan una mayor seguridad en su uso, gracias a que su composición les permite ser menos inflamables que las alternativas de NMC y NCA, además de presentar una mejor resistencia a las altas temperaturas.
Ciclos y precios
Finalmente, en lo que se refiere a otros indicadores clave como son los ciclos de vida y el precio, las LFP vuelven a mostrarse más sólidas. Cuentan con una retención en la capacidad de carga del 80% frente a la nominal, después de 3.000 ciclos, frente a los 2.000 ciclos de la vida teórica de las baterías de NMC, si bien su capacidad se reduce notablemente después de los 1.000 ciclos, reteniendo únicamente en torno al 60% de la capacidad nominal. En cuanto al precio, las baterías de LFP son alrededor del 30% más baratas que las de NMC debido principalmente a la disponibilidad de las materias primas y a los costes desmesurados actuales del níquel y el cobalto.
Por todo lo anterior, las soluciones en base a LFP son las opciones preferidas para aplicaciones estacionarias de gran volumen como la generación de energía a partir de renovables, donde, al contrario que para el caso del vehículo eléctrico, no hay limitaciones espaciales tan estrictas y se puede optar por diseños más voluminosos.
Componentes y materiales críticos
En cuanto a la disponibilidad y volatilidad de los materiales críticos dentro de la industria de las baterías, el crecimiento desbocado del sector está provocando una auténtica guerra por garantizar el suministro de las materias primas clave para su correcto despliegue.
Litio
El primero de ellos es obviamente el Litio, considerado ya material crítico desde hace tan sólo unos pocos años. A pesar de ser un material moderadamente abundante en la corteza terrestre, éste se concentra en zonas específicas del mundo, lo que complica su acceso y uso a aquellos países que no cuenten con recursos propios. De ahí que se produzcan modificaciones importantes de su precio, debido al alto componente especulativo con el que cuenta este material por parte de los países que dominan su suministro.
Grafito
Otro de los elementos clave en el desarrollo de las baterías es el grafito. Este mineral, que suele emplearse de forma sintética dentro del ánodo, permite la intercalación de una gran cantidad de iones de litio en su estructura-base de funcionamiento de las baterías de ion-litio-. Muestra, además, potenciales bajos de ionización con respecto al litio, pudiendo aumentar el voltaje de carga hasta los 4.2 V.
Tal es su importancia (al menos en las generaciones actuales de baterías), que comienzan a existir previsiones preocupantes sobre si será posible satisfacer toda la demanda esperada de este recurso. Más aún, si tenemos en cuenta que, a día de hoy, alrededor del 70% de todo el grafito a nivel mundial procede de China, con la consecuente “inestabilidad” que esto puede suponer en la cadena de suministro.
Como alternativa, otro elemento que está cobrando protagonismo últimamente es el silicio. Este material está siendo valorado en diferentes investigaciones como una alternativa al grafito de cara a ser incluido en los ánodos de las futuras generaciones de baterías. Esto se debe principalmente a su capacidad específica, que permite almacenar hasta 10 veces más iones de litio en comparación con el grafito, aumentando la capacidad de la batería, y a su abundancia, ya que es el segundo elemento que más se encuentra en la corteza terrestre después del oxígeno. Por ahora, los resultados planteados son prometedores, logrando con ello una mayor capacidad de almacenamiento de energía.
Manganeso
El manganeso es otro de los materiales que mayor uso y explotación tiene en la industria de las baterías. De nuevo, hablamos de un recurso empleado principalmente en las composiciones de los cátodos, donde su aplicación en pequeñas cantidades permite mejorar las prestaciones electroquímicas de las baterías, sobre todo en términos de densidad energética y seguridad. De ahí que se encuentre, por ejemplo, en las composiciones de cátodo NMC junto al cobalto y el níquel y sea uno de los materiales que se espera que sigan formando parte de las composiciones de las baterías del futuro, también con el litio fosfato hierro (LMFP).
Cobalto
Un material sometido a especulación constante es el cobalto. Este metal es uno de los principales recursos empleados en las baterías, al ser un material que permite aumentar la vida útil y su densidad energética gracias a la estabilidad que aporta a la estructura durante los procesos de carga y descarga.
Sin embargo, su uso dentro de la industria parece tener los días contados debido a dos grandes razones. Por un lado, el cobalto (que suele extraerse como un subproducto de la extracción del níquel y el cobre) es un material tradicionalmente caro. Por otro lado, su extracción se concentra principalmente en la República del Congo (más del 70% de la producción mundial), en unas condiciones laborales y humanas denunciadas por grandes organismos internacionales. De ahí que muchos agentes de la industria estén tratando de reducir su dependencia a este material y colaboración con las autoridades de ese país.
Níquel
Finalmente, otro material empleado tradicionalmente por la industria de las baterías es el níquel, sobre todo desde los años 90. Su uso se debe a que ayuda a conseguir una mayor densidad energética y de almacenamiento sin ser un elemento especialmente caro ni crítico. Sin embargo, la constante especulación de grandes países productores, como Rusia (aproximadamente el 9% de toda la producción minera mundial), que continuamente amenaza con prohibir exportaciones de productos básicos, provoca continuas inestabilidades en su cotización, llegándose incluso a detener sus transacciones en los principales mercados bursátiles en un intento por devolver la estabilidad al sistema.
En definitiva, la eclosión de la industria y el abanico de alternativas tecnológicas que esta presenta hoy en día plantean un escenario futuro en el que distintas materias primas se verán involucradas. De ahí la importancia de garantizar su suministro, algo que en muchos casos presenta riesgos, debido, generalmente, a motivos de política internacional y relaciones comerciales entre países.
Por ello, los distintos países y empresas involucradas en la guerra por liderar esta industria están tratando de asegurar el acceso y aprovisionamiento de estas materias primas, sobre todo gracias a grandes acuerdos o la explotación de sus propios recursos naturales.
*Roberto Pacios es graduado en Físicas por la Universidad del País Vasco en la especialidad de electrónica y automática. Obtuvo su doctorado en el año 2003 en la Universidad de Londres (Imperial College London). Actualmente es coordinador de Tecnología del Área de Almacenamiento electroquímico de CIC energiGUNE
Credenciales
CIC energiGUNE se define como "el centro de investigación para almacenamiento de energía electroquímica y térmica iniciativa estratégica del Gobierno Vasco". CIC energiGUNE nació en el año 2011 "con el objetivo de generar investigación excelente en materiales y sistemas para almacenamiento de energía, maximizando el impacto en resultados al tejido empresarial Vasco, a través de la colaboración con universidades, centros de investigación y empresas".
CIC energiGUNE ha sido constituido en forma de fundación privada sin ánimo de lucro, se encuentra físicamente ubicado en el Parque Tecnológico de Álava y es miembro de BRTA (Basque Research & Technology Alliance).
A día de hoy, es considerado como uno de los centros de referencia Top 3 en Europa. Este centro de investigación cuenta con avanzadas plataformas de caracterización, infraestructura de testeo y prototipado de baterías y sistemas de almacenamiento de energía que le convierten en el laboratorio de referencia del sur de Europa.
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Y seguro que los escandinavos, tampoco la regalan (ya tendrán sus técnicos con sus fórmulas ininteligibles para sacar la tajada).
