Cómo está trabajando una nueva clase de empresas emergentes para resolver el rompecabezas del almacenamiento en red

Ilustración conceptual de una batería hecha de un cubo de rubik Nicolás Ortega

Aquí está el problema: los paneles solares y las turbinas eólicas son fuentes de electricidad baratas, limpias y confiables, hasta que no lo son. El Sol se pone; las banderas del viento. No pueden alimentar una red eléctrica solos.

Las plantas de carbón y gas natural pueden llenar los vacíos hoy. Pero a medida que las regulaciones climáticas cierran más de estas fuentes que arrojan carbono, eventualmente habrá días o incluso semanas cada año en que las energías renovables no serán suficientes para mantener las luces encendidas. Algo más tendrá que intervenir.

Form Energy está convencida de que ese algo podría ser una batería. Pero tendría que ser una batería como ninguna otra que haya visto el mundo.

Para ser tan barato, confiable y flexible como el gas natural, un sistema de batería de este tipo tendría que costar menos de $10 por kilovatio-hora. Las mejores baterías de red de la actualidad, grandes sistemas de iones de litio, costar cientos de dolares por kilovatio-hora (estimaciones precisas variar ). Incluso podrían pasar décadas hasta que ese precio caiga por debajo de los 100 dólares.

Es un gran salto. Pero los fundadores de Form creen que podrían alcanzar ese objetivo mediante el desarrollo de baterías grandes que dependen de materiales extremadamente baratos y densos en energía. Creemos que podemos llegar allí, dice el profesor del MIT Yet-Ming Chiang, cofundador y científico jefe de Form. Creemos que podemos hacer coincidir la tecnología con esos requisitos.

Una forma de almacenamiento de energía duradera y de bajo costo que podría construirse en cualquier lugar sería lo más parecido a una bala de plata para limpiar el sector eléctrico. Aprovecharía al máximo la fuerte disminución de los costos de la energía solar y eólica, sin muchos de los problemas ambientales, de seguridad o estéticos que plantean otras formas de equilibrar las energías renovables fluctuantes.

El enigma del almacenamiento en red

Form, con sede en Somerville, Massachusetts, captó la atención del mundo de las baterías cuando se creó en 2017. Chiang es uno de los mejores científicos de baterías del mundo. Ha publicado cientos de artículos científicos, posee más de 80 patentes , y ha cofundado seis startups. varios han ganado valoraciones de más de 1.000 millones de dólares , incluyendo Sistemas A123 , que fabrica baterías de iones de litio para vehículos eléctricos.

CEO de Form, Mateo Jaramillo , previamente reunió y dirigió una unidad de negocios de Tesla que vende sistemas de baterías para hogares y es ahora construyendo algunos de los proyectos de batería de red más grandes alrededor del mundo. Hasta la fecha, Form ha recaudado alrededor de $ 50 millones de Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates, el gigante energético italiano Eni y otros.

El equipo fundador de Form Energy. Cortesía: Forma Energía

Una ola de empresas anteriores de almacenamiento en la red fracasó (consulte Por qué les suceden cosas malas a las nuevas empresas de energía limpia). Form es solo uno de varios que han recaudado fondos recientemente para tomar una nueva oportunidad para resolver el problema.

La principal necesidad de almacenamiento en la red hoy en día se conoce como almacenamiento intradiario. Proporciona ráfagas rápidas de electricidad durante unas pocas horas para suavizar los desajustes entre la generación y la demanda a lo largo del día y al menos hasta la tarde.

Una cantidad cada vez mayor de ese almacenamiento proviene de las baterías de iones de litio, que también alimentan teléfonos, computadoras portátiles y automóviles eléctricos, y son cada vez más baratas y potentes. La cantidad de almacenamiento de energía de la red instalada a nivel mundial aumentó casi un 150% el año pasado a seis gigavatios-hora, según la firma de investigación Wood Mackenzie . Eso es casi el doble de la tasa promedio durante los cinco años anteriores, y los sistemas de iones de litio representaron la mayor parte del aumento.

Tesla, por ejemplo, planea construir cientos de su nuevo motor de tres megavatios hora Mega Pack sistemas de batería en Moss Landing, California. El proyecto , que también incluye a otros desarrolladores de almacenamiento de energía, reemplazaría un trío de plantas de gas de décadas de antigüedad en el sitio administradas por Calpine, una gran compañía eléctrica estadounidense.

Planta de baterías de red de Telsa en Kauaʻi, Hawái. Cortesía: Tesla

Mientras tanto, un número creciente de desarrolladores de energías renovables, como Recurrent Energy y First Solar, están proponiendo granjas solares gigantes junto con enormes sistemas de almacenamiento de baterías , lo que permite que las plantas continúen entregando electricidad durante horas después de la puesta del sol.

Pero el sol y el viento no solo se desvanecen durante horas; a veces se sumergen durante días o semanas. Si queremos cambiar principalmente a energías renovables, vamos a necesitar mucho más almacenamiento que pueda durar mucho más.

Con la tecnología de baterías actual, los costos se dispararían, dice Jesse Jenkins, profesor asistente en Princeton que investiga sistemas de energía. Requeriría bancos y bancos de baterías de iones de litio, muchas de las cuales podrían usarse solo unas pocas veces al año. También necesitaríamos construir más parques solares y eólicos para generar suficiente electricidad excedente para cargarlos. (Consulte La razón de $2,5 billones por la que no podemos confiar en las baterías para limpiar la red).

La economía se derrumba en este escenario. Si se supone que estos activos permanecerán inactivos durante las tres cuartas partes del año, acaba de aumentar el costo efectivo en 4X, dice Don Sadoway, un químico del MIT que cofundó Ambri, que desarrolló una batería de rejilla de metal líquido que dura aproximadamente una hora más que los de iones de litio.

Pero en realidad es aún peor. Tendríamos que construir en exceso las energías renovables y el almacenamiento para satisfacer la demanda durante los eventos más raros: los reflujos prolongados de sol o viento que ocurren cada pocos años, tal vez incluso una vez por década.

Las regiones no tienen que resolver este problema por completo a través del almacenamiento. conociendo solo un pequeña parte de la demanda total a través de otros medios facilitaría los objetivos de costes que las empresas de almacenamiento tendrían que alcanzar, otra investigación muestra . Eso podría incluir reactores nucleares, energía hidroeléctrica, plantas de gas natural con sistemas que capturan emisiones de carbono o líneas de transmisión de larga distancia que pueden equilibrar las energías renovables en todas las zonas horarias. Pero esas opciones son políticamente impopulares, costosas, limitadas geográficamente, o las tres cosas. Las baterías tienen la ventaja de no molestar especialmente a las personas.

Necesitamos pensar en estos problemas futuros hoy porque las tecnologías necesarias podrían tardar años, si no décadas, en desarrollarse. Las áreas con una gran proporción de energías renovables, como California y Alemania, ya producen más energía solar o eólica de la que la red puede usar durante ciertos períodos, lo que socava los incentivos económicos para construir más. Muchas más regiones están comenzando a darse cuenta de que existe una gran brecha que alguna tecnología deberá cerrar si esperan eliminar los combustibles fósiles.

El enfoque de la forma

El desarrollo de baterías baratas y de larga duración ha dejado perplejos a los investigadores durante décadas, principalmente porque los metales y los productos químicos que han funcionado mejor hasta ahora son caros. Usarlos para satisfacer necesidades de almacenamiento más prolongadas significa apilar más y más. Form es cauteloso acerca de cómo está tratando de eludir estos desafíos, pero parte del enfoque de la compañía queda claro en un artículo que Chiang y sus colegas publicaron en la revista Joule a fines de 2017 (consulte La nueva empresa del empresario de baterías en serie aborda el mayor problema de la energía limpia).

Energía de forma

Form Energy se creó en 2017, cuando Baseload Renewables, spin-out del MIT, se fusionó con Verse Energy, que fue iniciada por Mateo Jaramillo, quien anteriormente dirigió el negocio de almacenamiento de energía de Teslau2019. La compañía ha recaudado alrededor de $ 50 millones hasta la fecha.

Fundadores

Mateo Jaramillo, Tesla
nYet-Ming Chiang, MIT, 24M, A123
nMarco Ferrara, IHI Inc., 24M
Billy Woodford, 24 meses
nTed Wiley, Aquion Energy

Financiadores

Empresas innovadoras de energía
Grupo nEni
nEmpresas Preludio
nMacquarie Capital
nMITu2019s El motor
nSaudi Aramco
nEl programa ARPA-E del Departamento de Energía de 2019

Todas las baterías contienen dos componentes básicos: un electrolito, generalmente un químico líquido, y un par de electrodos, el ánodo y el cátodo, que están hechos de diferentes materiales (a menudo, aunque no siempre, metales). Los átomos cargados, conocidos como iones, transportan corriente a través del electrolito entre los dos electrodos a medida que la batería se carga o descarga. En las baterías de iones de litio, el electrolito es algún compuesto de litio mezclado con otros productos químicos.

En el documento de 2017, Chiang y sus colegas destacaron el potencial de una batería de flujo de azufre acuoso que respira aire. Una batería de flujo comienza a sortear el problema del costo al separar los componentes de la batería que suministran electricidad, incluidos los electrodos, de la parte de almacenamiento de energía, el electrolito.

Una batería de flujo estándar tiene dos electrolitos diferentes, conocidos como catolito y anolito, cada uno de los cuales se puede almacenar en tanques grandes y fáciles de intercambiar. Entonces, si desea más almacenamiento, puede agregar tanques más grandes mientras esas otras piezas costosas, incluidos los electrodos, siguen siendo las mismas.

Sin embargo, para que sea realmente económico, los electrolitos que llenan esos tanques gigantes también deben ser baratos. La clave de la batería de flujo en el papel julio es utilizar una solución a base de azufre como anolito. El azufre es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, así como un subproducto de la refinación de combustible, por lo que es extremadamente barato y puede almacenar mucha energía.

Según el cargo almacenado por dólar, el azufre era más de un factor de 10 mejor que la siguiente mejor opción, me dijo Chiang en 2017.

En total, los costos químicos en una batería de flujo de este tipo podrían ser tan bajos como $ 1 por kilovatio-hora, según el estudio.

Cuando hablé con Chiang en agosto pasado, me confirmó que definitivamente el azufre sigue siendo parte de nuestra hoja de ruta. Dijo que es el enfoque que están usando en un proyecto financiado por el programa Moonshot ARPA-E del Departamento de Energía . Pero Form dice que ahora está desarrollando múltiples químicas, aunque no dirá cuáles son las otras.

Yet-Ming Chiang, profesor del MIT y cofundador de Form Energy. Simón Simard

Si bien la mayoría de las empresas de almacenamiento en red se enfocan solo en la parte de almacenamiento, Jaramillo también ha dicho están explorando la posibilidad de centrales eléctricas bidireccionales , que generaría energía renovable en el sitio utilizando energía solar o eólica, la almacenaría en grandes baterías y la entregaría a la red según sea necesario.

Otros caminos hacia el almacenamiento de larga duración

Pero una batería electroquímica, ya sea basada en la química de azufre o de iones de litio u otra cosa, es solo una forma de almacenar grandes cantidades de energía.

A principios de septiembre, un grupo de ingenieros se amontonó alrededor de un cilindro plateado achaparrado del tamaño de un tanque de parrilla en la parte trasera de un taller abarrotado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ubicado en las colinas con vista a la Bahía de San Francisco. Aparte de su intensa mirada en la pantalla de la computadora adyacente, el único indicio de que algo estaba funcionando fue un brillo naranja visible en una pequeña ventana cerca de la parte inferior del dispositivo.

Los investigadores de Antora Energy están desarrollando un nuevo tipo de almacenamiento térmico. Es un enfoque poco utilizado que retiene energía en forma de calor o frío extremo en una variedad de sustancias, como rocas subterráneas o bloques de hielo. En el caso de Antora, la sustancia dentro del tanque era un bloque de carbono que, en ese momento, estaba funcionando muy por encima de los 2000 ˚C.

La esperanza es que puedan usar el exceso de electricidad de los parques solares o eólicos para calentar ese material y luego convertir el calor nuevamente en electricidad cuando sea necesario. Por lo general, en el almacenamiento térmico, esto todavía se hace al estilo altamente ineficiente del siglo XIX: mediante la creación de vapor que impulsa un generador de turbina. Pero la mayor parte de la energía se desperdicia como resultado de la fricción mecánica, las fugas de vapor y otros problemas.

Antora está probando un novedoso sistema termofotovoltaico. Es algo así como un panel solar, pero convierte la radiación infrarroja que sale de un objeto caliente, en lugar de la luz solar, en electricidad. A fines de septiembre, los investigadores anunciaron que habían establecido un nuevo récord al convertir más del 30% por ciento del calor que fluye hacia la celda nuevamente en electricidad en un experimento de laboratorio. Su objetivo es lograr más del 50% de eficiencia.

Los métodos mecánicos ofrecen otro enfoque para el almacenamiento en red. Eso incluye bombear aire en cavernas subterráneas, subir colinas con trenes llenos de rocas o transferir agua entre depósitos a diferentes alturas. Todos estos funcionan más o menos de la misma manera, utilizando energía adicional cuando está disponible para mover algo a una elevación más alta o colocarlo bajo presión. Luego, cuando se libera, podemos aprovechar la energía cinética del aire que escapa o los trenes que descienden o el agua para generar electricidad.

De hecho, la energía hidroeléctrica bombeada es, con mucho, nuestra fuente más barata y abundante de almacenamiento de energía en la red en la actualidad. El problema es que no siempre hay suficiente agua o colinas cerca de cada central eléctrica.

Bajo su programa DAYS, ARPA-E ha invirtió más de $30 millones en 12 startups o grupos de investigación que intentan resolver el problema del almacenamiento en red. Esos incluyen las baterías de flujo de Form y el sistema térmico de Antora, así como el giro de Quidnet Energy en la energía hidroeléctrica bombeada: el sistema de la startup de San Francisco. bombea agua en los espacios entre rocas confinadas bajo tierra , creando presión que hace que el agua vuelva a subir y a través de un generador cuando se necesita electricidad.

Empresas innovadoras de energía , el fondo respaldado por Bill Gates, ha hecho del almacenamiento de larga duración una de sus principales prioridades. Además de Form, ha respaldado a Quidnet y Malta, otra startup térmica que se basa en la sal fundida como medio de almacenamiento (ver Alphabet está en conversaciones para desarrollar su juego de almacenamiento de sal fundida).

Mientras tanto, el conglomerado japonés SoftBank recientemente invirtió $ 110 millones en la startup suiza de almacenamiento mecánico Energy Vault, que utiliza grúas y cables para apilar bloques de hormigón cuando las energías renovables generan un exceso de electricidad. Luego deja caer esos bloques al suelo en esos mismos cables, usando su impulso para hacer girar los motores en las grúas en reversa y bombear electricidad. ( Este video aclara el concepto).

La naturaleza poco convencional de algunas de estas ideas muestra lo difícil que es para las tecnologías dar ese salto de almacenar unas pocas horas a unas pocas semanas de energía.

Si estamos hablando de capturar, digamos, un mes o dos meses de energía durante el verano y tenerla disponible durante uno o dos meses en el invierno, esas son sumas gigantescas de energía, dice Sadoway. ¿Cuántos trenes cargados de rocas tienes?

Muy grandes si

La mayoría de los métodos mecánicos, como los trenes o las grúas, requieren grandes cantidades de espacio. Los métodos térmicos son inherentemente ineficientes, ya que es difícil evitar que el calor o el frío se escapen. Y producir o quemar la mayoría de los combustibles líquidos crea las mismas emisiones climáticas que buscamos evitar.

Las baterías tienen la ventaja de ser limpias, compactas, móviles y eficientes. Entonces, si alguien puede hacerlos baratos y duraderos también, podrían conectarse a cualquier red. Eso permitiría que la energía eólica y solar proporcionen mucha más de nuestra electricidad y, a su vez, que la electricidad limpia satisfaga mucho más de nuestras necesidades energéticas totales.

Pero esos siguen siendo muy grandes si. Algunos observadores de la energía dudan de que Form pueda lograr sus objetivos, o cuestionan cuánto gas natural reemplazarían tales baterías incluso si lo hicieran. Por su parte, los fundadores de la empresa decir es un proyecto de al menos una década, con serios riesgos técnicos, financieros y de mercado.

Los principales avances en baterías solo ocurren una vez cada tres décadas en promedio, y la historia del campo está repleta de enfoques mucho más prometedores que no dieron resultado que los que sí lo hicieron.

Por otra parte, la última, la tecnología de iones de litio, llegó al mercado hace 28 años. Estamos a punto de otro gran avance.

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