BATERIAS

Coches a pilas

Los que fuimos niños en los 70s del siglo pasado nos acordamos muy bien de los juguetes eléctricos a pilas , por un lado era nuestra mayor ilusión, ya que los juguetes eran novedosos y hacían cosas increíbles, luces, motores, voces …., pero por otro lado, sabíamos que cuando se acababan las pilas, y se acababan pronto,  había que rogar para que te compraran otras nuevas; las pilas eran ya un bien de consumo masivo, pero duraban poco y eran caras para las economías de la época; de hecho, muchos juguetes anunciaban en su publicidad “funciona sin pilas” como reclamo para convencer a los compradores que no habría gastos posteriores.

Una batería es un dispositivo que acumula de forma química la energía eléctrica, para luego liberarla como corriente de forma controlada. Todas las baterías están compuestas por un electrodo positivo y uno negativo sumergido en electrolitos líquidos o geles. La evolución de las baterías ha venido marcada por la evolución de los dispositivos que alimentan, demandando más energía y menos peso y volumen.

A principios del siglo XIX , Alessandro Volta, ( que debió ser un tipo extraordinario, ya que sus clases de la universidad de Pavía, donde fue catedrático durante casi 40 años, estaban a rebosar y tuvieron que construir un aula especial para su docencia),  invento la pila voltaica, dos discos, uno de cobre y otro de zinc, separados por un cartón empapado en salmuera, daban una diferencia de potencial de 0,75 voltios, aunque en aquel entonces no se conocían los voltios, ya que esta unidad fue creada posteriormente y lleva este nombre en su honor.

El invento se fue perfeccionando, en 1859 se inventa la pila de plomo (la que bien conocemos por nuestros coches) y además es la primera recargable; en 1899 la batería de Níquel-Cadmio; y en 1960 la gran revolución de la pila alcalina, con mayor vida y más energía acumulable, su nombre deriva de que el electrolito no es acido sino alcalino; en 1970 la batería de hidruro metálico; hasta que en 1991 llega la actual reinante: la batería de iones de litio, con su versión mejorada en 1999 de polímero de iones de litio.

Las baterías, como se llama ahora, ya que el termino pila va quedando en desuso, han sufrido una evolución asombrosa a lo largo del tiempo y actualmente esta en la punta de lanza de la tecnología y en los límites del conocimiento de la fisicoquímica actual, fundamentalmente por dos razones:

• El almacenamiento masivo de energía eléctrica para regular la generación y demanda de energía producida por fuentes renovables
• La movilidad eléctrica en todos sus ámbitos, fundamentalmente para sustituir los motores de combustión

Estas dos áreas son esenciales para la denominada transición verde, en la que están comprometidos los países desarrollados

Regulación de la generación y la demanda de energía eléctrica

La energía eléctrica es el único bien de consumo que no se puede almacenar directamente, hay que consumirlo al tiempo que se produce, si bien, podemos transformarla para su almacenamiento, bien en forma mecánica (volantes de inercia), en forma de energía potencial (estaciones de bombeo), transformándola en otro producto (generando hidrogeno), ….. o bien en su forma más directa en energía química (en baterías)

La generación de energía eléctrica con fuentes alternativas (fundamentalmente eólica y solar fotovoltaica) ha tenido un despliegue impresionante en los últimos años. Actualmente en España hay instalados más de 30.000 Mw de eólica y más de 25.000 Mw de fotovoltaica, en total son el equivalente a 55 centrales nucleares en potencia instalada.

El pasado año 2023, por primera vez la energía de origen renovable supero a la generación de energía convencional (ver grafica),

No debemos confundir la potencia instalada con la energía generada, así por ejemplo la energía nuclear en España con 7.000 Mw de potencia instalada, genera la misma energía que los 30.000Mw instalados de eólica, esto es debido a que la nuclear funciona al 100% durante todo el año (salvo los periodos de recarga) y la eólica solo cuando hay viento. Pero volviendo a nuestro tema, este problema de la disponibilidad para funcionar y generar más o menos energía si bien es un problema, la cuestión que nos incumbe, es que las renovables al operar en función de la meteorología y no de la voluntad del hombre, generan energía durante periodos en que no se necesita tanta, y otras veces necesitamos energía y no hay ni sol ni viento y hay que tirar de los combustibles fósiles.

Si no podemos almacenar la energía eléctrica, por cada unidad de potencia de energía renovable que instalamos, tendríamos que instalar otra unidad equivalente de generación no renovable para enfrentarnos al caso extremo de que no haya ni sol ni viento durante un periodo de tiempo, esto nos llevaría a un parque de generación del doble de las necesidades con los consiguientes costes de inversión y de difícil amortización. La realidad no está lejos de esto, ya que en España tenemos instalados de todas las posibles fuentes de energía 125.000 Mw para producir electricidad, cuando la demanda en casos más extremos nunca ha superado los 50.000 Mw .

La evolución de la capacidad, fiabilidad y longevidad de las nuevas baterías nos ayudará a almacenar la energía procedente de las renovables y utilizarla cuando la necesitemos, con esto ya no solo se podrá descarbonizar la generación, sino reducir la potencia de generación instalada y hacer un sistema más razonable y eficiente.

Las previsiones de instalación de baterías estacionarias para incorporarse a la red como “buffers” de energía para regular la curva generación/demanda están siendo sobrepasadas, inicialmente parecía que estas aplicaciones iban a ser demasiado caras, pero la reducción de precios está impulsando fuertemente esta solución

Movilidad eléctrica

Aquí el problema es más complicado, hablábamos de la capacidad, fiabilidad y durabilidad en el caso anterior, pero en este asunto de la movilidad no solo necesitamos los anteriores conceptos, sino, además poco peso, poco volumen y recargas rápidas. Estos nuevos aspectos no nos interesaban en el caso precedente ya que estábamos hablando de almacenamiento estático, donde el peso y la ocupación de terreno no son relevantes y la velocidad de recarga vendrá dada por el excedente que queramos almacenar. En la movilidad si son importantes, muy importantes.

En este caso nuestro rival, la gasolina o el gasóleo, tiene un arma muy poderosa, su capacidad energética por unidad de masa, es decir, de cuanta energía dispongo en un Kg de combustible. Así la gasolina está entorno a los 11.000 Wh/kg, por lo que si lo comparamos con la densidad energética de las baterías de polímero de litio más modernas (que tienen del orden de 200 Wh/Kg) podríamos estar hablando que la energía almacenada en un combustible fósil ocupa y pesa unas 50 veces menos que en una batería de litio. Aunque tengamos en cuanta la poca eficiencia de los motores de combustión (de un 30%) y la alta eficiencia de los motores eléctricos (del orden de un 96%), la diferencia sigue siendo significativa del orden de 15 veces a favor de los combustibles fósiles. Este es el gran reto a mejorar para la total implantación de las baterías en la movilidad eléctrica.

Un ejemplo para entender dónde estamos: las baterías del Mercedes EQB pesan 469 kg, tienen una capacidad total de 69,7 kwh y una autonomía de 419 Km. Es decir, de forma aproximada la energía acumulada en cada kg de batería nos da para recorrer 1 km.  Mientras que Mercedes GLA con un motor diésel carga 51 litros de combustible que nos daría para recorrer 870 km, es decir por cada kilogramo de diésel podríamos andar 17 Km. La diferencia es 17 a 1; pero con el diésel por cada km recorrido emitiríamos 150 gr de CO2, mientras que con eléctrico no, siempre y cuando la electricidad con la que lo carguemos sea de origen renovable

Pero esto de la movilidad eléctrica, es un camino que acaba de empezar, y como todos los comienzos son difíciles, aunque en este caso algunos gobiernos le han puesto la alfombra roja, con subvenciones y ayudas para cumplir con acuerdos internacionales relacionados con la sostenibilidad. Solo tenemos que mirar un poco hacia atrás y ver lo que se ha recorrido ya:

¿Pero están las actuales baterías preparadas para hacer frente a la movilidad eléctrica?

Sinceramente pienso que no, y me atrevo a decir esto ya que acabo de leer una reciente encuesta de la consultora McKinsey, que arroja la cifra a nivel global, que más de 1/3 de los propietarios de vehículos eléctricos no volverían a comprar uno de este tipo, y en el mercado americano, donde la sensibilidad ambiental es menor, casi la mitad de los propietarios están arrepentidos de la compra. Razones: las de siempre, poca autonomía y grandes tiempos de recarga.

Creo que la industria del automóvil ha puesto en el mercado una tecnología sin estar demasiado madura en relación con las expectativas de los clientes, pero todo se puede mejorar y mejorará, ¿Cómo?   Trabajando con la química, mejorando los materiales en los que están formados los electrodos de las celdas, a través de diferentes estrategias, incluida la creación de “defectos” en el material, la manipulación de complejos nanoestructurados, la sustitución con diferentes metales, el dopaje con elementos extraños y distintos recubrimientos

Durante este año 2024, al contrario de lo que ha pasado con las instalaciones de baterías estacionarias conectadas a red, son muchas las noticias de prensa especializada que informan sobre la deceleración de las ventas de vehículos eléctricos, lo que lleva a los fabricantes de baterías para movilidad, en reducir sus proyecciones de ventas y de producción.

El camino se ha iniciado, y los avances llegarán, solo tenemos que ser pacientes. No debemos olvidar que la primera batería de litio que se comercializó fue en 1991. Pero el verdadero salto para la implantación definitiva de la movilidad eléctrica será el cambio de tecnología a las baterías de electrolito sólido.

Baterías de estado sólido

Al igual que las baterías de iones de litio, las baterías de estado sólido cuentan con un ánodo y un cátodo, que son electrodos de metal (o también material compuesto) que están inmersos en un líquido conductor, el electrolito. Eso es lo que llamamos comúnmente celda y el conjunto de celdas forma una batería de mayor o menor capacidad.

En una batería de iones de litio convencional el electrolito es una sal de litio. Es la que logra los iones necesarios para que se produzca la reacción química reversible entre el cátodo y el ánodo. En una batería de estado sólido ese electrolito es un material sólido.

Las baterías de estado sólido resolverán las preocupaciones actuales de las baterías de ion litio convencionales: su limitada autonomía y los tiempos de recarga exageradamente largos.

Las actuales líneas de investigación trabajan en lo que se llama la interfaz, es decir el paso de los iones desde el ánodo o cátodo a un electrolito sólido, generalmente peores conductores que los electrolitos líquidos. Las grandes marcas automovilísticas, aliadas con otras empresas están dedicadas por ganar esta carrera, que se espera de los primeros resultados comerciales hacia 2030.

A pesar de que las fechas están relativamente cercanas, en el horizonte de un lustro, eso no quiere decir que se impongan nada más llegar al mercado. Las baterías de iones de litio convencionales aún tienen recorrido.