Diversidad de baterías para la electrificación

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J. Antonio del Río Portilla, Investigador del Instituto de Energías Renovables de la UNAM y Premio Universidad Nacional 2023. Imagen del IER de la UNAM

La electrificación de las actividades productivas y cotidianas es una estrategia crucial para mitigar los impactos del cambio climático, ya que puede reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar el uso de combustibles fósiles con fuentes renovables de energía.

Desde mi perspectiva, el evitar la quema de combustibles fósiles en actividades cotidianas como la preparación de nuestros alimentos en hogares conlleva a una mejora en la salud de las personas y así la sustitución de los combustibles por electricidad inmediatamente impacta de forma positiva en la salud de las personas.

Sin embargo, la electrificación de nuestras actividades tiene algunos retos. La infraestructura eléctrica existente en México y en América Latina debe ser ampliada y modernizada para manejar la mayor demanda de electricidad que implica la electrificación. Esto incluye la actualización de redes de transmisión y distribución, así como la incorporación de tecnologías inteligentes para mejorar la eficiencia y la resiliencia. Esta es una tarea que deben atender los gobiernos y más si se desea actuar para mitigar y adaptarnos al cambio climático.

Redes de alta tensión en el estado de Puebla. Imagen de Jorge Zarco

Adicionalmente a la necesidad de proveer a estas redes con sistemas automáticos y de respuesta inteligente es necesario contar con almacenamiento de energía.

Reconozcamos que las fuentes renovables de energía, como la solar y la eólica, son variables; por ende, es crucial desarrollar y desplegar tecnologías de almacenamiento de energía, como baterías avanzadas, para garantizar un suministro constante.

Aunque existen otros retos, en este texto pondré especial atención a las diferentes opciones de almacenamiento de energía en baterías.

Las baterías que reinaron en el siglo pasado fueron las conocidas como de plomo ácido, esas baterías que traían la mayoría de los autos en el Siglo XX, fueron las primeras baterías recargables e inventadas en 1859 y han sido ampliamente utilizadas como baterías para usos móviles, principalmente en el transporte. La capacidad de almacenamiento de energía es de 33 a 42 Wh/kg
Las baterías que en la actualidad se usan en la mayoría de los vehículos eléctricos son las de iones de litio.

Estas baterías tienen una mayor densidad de energía, es decir, almacenan más kWh en cada gramo de masa. Sin embargo, tienen algunos inconvenientes: requieren de litio un material no muy abundante en la corteza terrestre y que es extraído en minas mediante procesos no amigables con el entorno físico y humano de la mina. Aunque se han desarrollado tecnologías para reciclar las baterías todavía es necesario mejorarlas y extender su uso.

Están surgiendo tecnologías de baterías alternativas a las de ion-litio, como las de ion-sodio. Imagen de archivo Universidad Deakin

La comunidad científica, consciente de la necesidad de la electrificación, está investigando opciones científicas y tecnológicas más adecuadas. Por ejemplo, se han desarrollado baterías que usan iones de sodio en lugar del litio. El sodio es un material muy abundante en la tierra y se puede obtener directamente de la sal de mar, lo que disminuiría grandemente los efectos de la extracción en comparación con el litio. Por esta razón, las baterías de sodio son más baratas.

Sin embargo, las baterías de sodio, por el momento, tienen menor densidad energética, las de litio pueden almacenar entre 180 Wh/kg y 250 Wh/kg y las de sodio entre 140 Wh/kg y 160 Wh/kg.

Como sabemos la masa atómica de los iones de sodio es mayor a la masa del ion de litio, por esta razón el número de ciclos de vida es menor en la de sodio, ya que causa una mayor tensión durante su movimiento entre el cátodo y el ánodo de la batería.

Mientras que las baterías de litio son ampliamente utilizadas en los vehículos eléctricos, las baterías de sodio son adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía que disminuyan la variabilidad de las fuentes renovables en instalaciones fijas.

Las baterías de ion de sodio son una alternativa más económica a las baterías tradicionales de ion de litio. Imagen: Universidad de Wollongong

Alrededor del año1960, se desarrollaron baterías recargables de acero aire (iron-air). Estas baterías usan el acero como ánodo y el oxígeno de la atmósfera como cátodo entre un electrolito salino. Nos queda claro que el acero es un material abundante y el oxígeno también y además que no son tóxicos.
Este tipo de baterías son aún más baratas que las de sodio o litio y su capacidad de almacenamiento se disipa con menor velocidad, por ende, sirven para almacenar energía por muy largos períodos.

Estas propiedades las hacen promisorias para almacenamiento de gran escala y estabilización de la red eléctrica. Los procesos de carga y descarga de estas baterías son más lentos que las de sodio o litio y las baterías son mucho más pesadas y grandes, dificultando su uso en pequeños dispositivos. Ya hay usos comerciales, pero todavía no se extiende su uso.

Por supuesto que hay muchas otras formas de almacenar energía: los supercapacitores, las celdas de combustibles, las baterías de flujo y muchas otras más. Todas estas tecnologías apuntan hacia la electrificación de nuestras actividades productivas y cotidianas para sustituir el uso de combustibles fósiles; además del uso directo de la energía solar térmica para ese tipo de aplicaciones redundará en que transitemos hacia un uso de energía limpia y sustentable.

En estos momentos, es crucial informar a la población sobre los beneficios de la electrificación y el uso de las energías renovables para asegurar su participación activa en esta transición. Adicionalmente, debemos analizar las opciones en recursos y capacidades entre las diferentes regiones para asegurar una transición equitativa hacia la electrificación.

100 nuevos trolebuses para la CDMX, las nuevas unidades con baterías de litio que les dará autonomía de movilidad hasta por 75 kilómetros. Imagen de archivo. Captura de video producción del gobierno de la CDMX

Superar los retos que nos plantea la electrificación, después de llevar milenios usando los combustibles como leña, carbón y petróleo, implica un esfuerzo coordinado entre gobiernos, industrias y la sociedad en general. Las políticas innovadoras, las inversiones estratégicas y la cooperación internacional son fundamentales para avanzar hacia una electrificación sustentable y efectiva y para ello requerimos de almacenamiento de energía. La diversidad de baterías son alternativas factibles y seguramente serán mejores en el futuro cercano.

Este artículo fue publicado el día 5 de junio en el periódico La Unión de Morelos.

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Blog de J. Antonio del Río Portilla

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