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La batería Better Grid de Ambri
Una pequeña startup llamada Ambri quiere transformar nuestro sistema energético con enormes baterías de metal líquido. 18 de febrero de 2013
De pie junto a la mesa de ping-pong en las oficinas de Ambri, el director de tecnología de la batería, David Bradwell, necesita ambas manos para tomar lo que espera sea un componente básico para un nuevo tipo de red eléctrica. Hecho de acero grueso, es un recipiente con forma de molde para pasteles grande y redondo, de 40 cm de diámetro. En su interior hay dos discos de metal y un poco de sal en polvo; se ha soldado una placa redonda a la parte superior para hacer una celda de batería de 100 libras.
Al unir varias de estas celdas grandes, Ambri planea fabricar baterías enormes, tan grandes como contenedores de envío de 40 pies. No es solo su tamaño lo que los hace novedosos: la química de la tecnología Ambri es diferente de cualquier otra que se usa actualmente en las baterías. Cuando la celda se calienta a unos 500 ° C, los discos y el polvo del interior (los electrodos y el electrolito de la batería, respectivamente) se derretirán. El resultado es una batería cuyos componentes son todos líquidos. Las baterías recargables convencionales tienen electrodos sólidos que se degradan con el uso, pero una batería con solo partes líquidas podría durar años sin perder gran parte de su capacidad de almacenamiento de energía. Los materiales fundidos también pueden operar a densidades de corriente mucho más altas que los sólidos y durante períodos de tiempo más prolongados.
Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2013
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El cofundador de Ambri, Donald Sadoway, profesor de química de materiales en el MIT, concibió la celda de metal líquido como una forma de construir una batería de red que pudiera almacenar muchas horas de energía de la energía solar y eólica a muy bajo costo. Debido a que una batería estacionaria destinada a almacenar energía para la red no tendría que ser liviana como las baterías de nuestras computadoras portátiles, automóviles y linternas, tenía la libertad de apartarse drásticamente de la química que alimenta esos dispositivos. El resultado es una batería fabricada con materiales abundantes y económicos en un proceso de producción simple. Puede manejar grandes corrientes de manera segura y entregar energía en ráfagas rápidas o durante un período prolongado.
Si Ambri o cualquier otra persona puede hacer que el almacenamiento en la red sea económico y confiable, cambiará la forma en que obtenemos electricidad. Debido a que la producción de granjas eólicas y solares es intermitente, estas fuentes renovables por sí solas no pueden alimentar de manera confiable toda la red, o incluso la mayor parte de ella. Los operadores de la red deben garantizar un equilibrio constante entre la energía que se consume y la cantidad que se genera. El sistema debe poder satisfacer la demanda máxima, que suele ocurrir cuando las personas encienden el aire acondicionado en los días calurosos de verano. Eso significa que los parques eólicos y solares suelen estar respaldados por plantas de gas natural que pueden aumentar rápidamente el suministro de electricidad.
La capacidad de traer energía almacenada cuando sea necesario significaría que algunas de esas plantas de energía de combustibles fósiles podrían cerrarse y no tendrían que construirse otras nuevas. Pero hasta ahora no tenemos una buena forma universal de almacenar energía para la red. Hoy en día, el 99 por ciento del almacenamiento de la red toma la forma de bombeo de agua: el agua se bombea cuesta arriba hasta un depósito y se libera para encender un generador cuando se necesita energía. Este método de baja tecnología es eficiente y económico a largo plazo, pero se limita a lugares con montañas y agua fácilmente disponible. Como resultado, proporciona menos del 1 por ciento de la capacidad de energía en los Estados Unidos en un día determinado, según Mark Johnson, director del programa de almacenamiento en red de la agencia de investigación ARPA-E del Departamento de Energía.
Docenas de empresas están desarrollando nuevos dispositivos de almacenamiento de energía, incluidos varios tipos de baterías gigantes, grandes cilindros giratorios llamados volantes e incluso tanques de almacenamiento de aire comprimido. Pero hasta ahora ninguno de estos enfoques es lo suficientemente barato como para ser competitivo. Dependiendo de su tamaño, una planta hidroeléctrica de bombeo puede suministrar energía durante decenas de horas a un costo de alrededor de $ 100 por kilovatio-hora. Las baterías a nivel de red pueden costar 10 veces más, razón por la cual hay solo unos pocos cientos de megavatios de energía de batería en la red, menos que la cantidad aportada por una planta de energía de tamaño completo.
Ambri está apostando a que al usar materiales baratos y un diseño de batería simple sin partes móviles, puede brindar almacenamiento de energía a granel confiable por menos de $ 500 por kilovatio-hora. Eso sigue siendo más caro que el bombeo hidroeléctrico, pero dado que las baterías se pueden colocar en casi cualquier lugar, Ambri cree que su tecnología puede ser la opción más económica para muchas aplicaciones.
Una métrica importa más que cualquier otra cosa en la cuadrícula, dice Johnson. Es costo, costo, costo.
Vasos de chupito
Cuando Sadoway consideró por primera vez el almacenamiento en red en 2005, buscó inspiración en las fundiciones de aluminio. Estas enormes máquinas, que pueden extenderse a más de 200.000 pies cuadrados, utilizan enormes cantidades de electricidad para extraer aluminio del óxido de aluminio fundido a través de la electrólisis. Sadoway, que se formó como metalúrgico, se dio cuenta de que la fundición podría proporcionar una plantilla para una batería recargable que tolera los niveles actuales necesarios para la red. Lo miré y dije: ¡Vaya, parece la mitad de una batería! Y es grande, escalable y barato, dice.
Después de dar con la idea de la batería de metal líquido, Sadoway buscó los electrodos perfectos: terminó eligiendo magnesio y antimonio porque son baratos y se separan naturalmente cuando están en forma líquida, el magnesio más ligero subiendo a la parte superior. Un electrolito de sal líquida descansa entre los electrodos de magnesio y antimonio, creando una celda con tres capas.
Cuando se pide a la batería que suministre energía a la red, los átomos de magnesio de la capa superior, el ánodo, emiten electrones. Los iones de magnesio resultantes viajan a través del electrolito y reaccionan con el antimonio, formando una aleación y expandiendo la capa inferior de la celda, el cátodo. Cuando la batería se está cargando, actúa como la fundición, liberando el magnesio de su aleación y enviándolo de regreso a través del electrolito para unirse al electrodo de magnesio. El intenso flujo de corriente genera el calor que se utiliza para mantener los metales en estado fundido. (Ambri ha cambiado a aleaciones de metales más baratas y una mezcla de sal, pero la química funciona de la misma manera).
En 2007, cuando Bradwell era estudiante en el laboratorio de Sadoway, usó la tecnología de magnesio-antimonio para hacer una batería experimental con aproximadamente el diámetro de un vaso de chupito. En 2009 había atraído casi $ 11 millones en fondos de investigación de ARPA-E y la compañía petrolera francesa Total. Al año siguiente, Sadoway y Bradwell crearon una empresa llamada Liquid Metal Battery Corporation; luego consiguieron financiación inicial de Bill Gates y Total.
Los fundadores esperaban que el trabajo técnico demorara más de los cinco a siete años que los capitalistas de riesgo suelen estar dispuestos a esperar antes de cobrar, por lo que al principio no tomaron dinero de tales inversionistas como lo habían hecho muchas otras nuevas empresas de tecnología limpia. Sin embargo, en el verano de 2011, llegó el momento de crear un producto. Sadoway reclutó a un nuevo CEO, Philip Giudice, quien ayudó a asegurar una ronda de inversión de $ 15 millones liderada por Khosla Ventures. La empresa cambió su nombre a Ambri, basado en el nombre de Cambridge, donde se inventó la tecnología.
Al menos al principio, Ambri quiere evitar trabajar con empresas de servicios eléctricos, dice Giudice, un ex funcionario de energía del estado de Massachusetts: las empresas de servicios públicos son conservadoras y tienen pocos incentivos financieros o presión regulatoria para probar nuevas tecnologías. En cambio, inicialmente apuntará a bases militares y otras instalaciones dispuestas a pagar por energía de respaldo, como centros de datos. Estas aplicaciones no son un gran mercado, pero ayudarán a demostrar y probar la batería.
Para fabricar las celdas de batería de Ambri, se sellan electrodos de metal líquido y un electrolito de sal líquida en un recipiente de acero como este.
A finales de este año, la compañía planea fabricar un módulo del tamaño de un refrigerador apilando cientos de celdas del tamaño de un disco de hockey y cableándolas en serie. Para 2014, esperan los investigadores, 80 de esos módulos se empaquetarán juntos en un prototipo comercial a gran escala que generará 500 kilovatios y almacenará dos megavatios-hora, lo suficiente para alimentar 70 hogares de EE. UU. Durante un día completo.
Incluso después de que ese prototipo esté en funcionamiento, dice Giudice, Ambri todavía planea evitar el mundo complejo y regulado de las empresas de servicios públicos en favor de productores de energía independientes, empresas que desarrollan y poseen proyectos de energía. En el oeste de Texas, por ejemplo, a menudo hay un excedente de energía eólica por la noche, cuando la demanda y el precio son más bajos. El almacenamiento de la batería permitiría a un desarrollador de energía eólica proporcionar esa energía en las horas pico y ganar más dinero. Otro mercado temprano atractivo son las ciudades donde las baterías podrían ser más rentables que agregar nuevas líneas eléctricas para satisfacer la demanda máxima de electricidad, dice Giudice.
Si todo sale como se esperaba, Ambri podrá demostrar sus baterías en múltiples instalaciones y mostrar a las empresas de servicios públicos que la tecnología es de bajo riesgo, dice Giudice. En ese momento, la empresa puede acercarse a las empresas de servicios públicos y los reguladores estatales que aprueban las inversiones en equipos de red. Un mercado de almacenamiento de servicios públicos plenamente realizado podría valer miles de millones de dólares en cinco a diez años.
El dinero
Sosteniendo una de las celdas originales del tamaño de un vaso de chupito junto a otras progresivamente más grandes — cuatro pulgadas, seis pulgadas y la pesada celda de 16 pulgadas — Bradwell muestra lo lejos que ha llegado su equipo. Pero los investigadores de Ambri ahora enfrentan el desafío de escalar la batería de metal líquido al tamaño industrial. Entre otras tareas, deben diseñar sellos herméticos en las celdas y crear un sistema de gestión térmica que asegure que el calor desprendido por la carga y descarga sea suficiente para mantener líquidos los componentes. El grupo aún está determinando el tamaño individual que minimizará el costo de fabricación, pero las celdas serán cuadradas, entre cuatro y 16 pulgadas por lado y aproximadamente dos pulgadas de alto.
Ambri tiene suficiente dinero para construir sus primeros prototipos. Pero aumentar la producción requerirá más capital en un momento en que el entorno financiero para las empresas de tecnología limpia está lejos de ser auspicioso. Asustados por los bajos rendimientos, una serie de bancarrotas bien publicitadas y el gasto de desarrollar la capacidad de fabricación, muchos capitalistas de riesgo han abandonado la tecnología limpia, dejando pocas opciones de financiamiento.
Los obstáculos financieros son particularmente altos porque las nuevas empresas de almacenamiento en red están asumiendo grandes desafíos técnicos en una industria que apenas existe. A los capitalistas de riesgo les gusta asumir riesgos tecnológicos o comerciales. Algunas personas pueden tomar ambos, pero la mayoría no, dice Bilal Zuberi, un inversor de General Catalyst Partners, que ha invertido en una startup que desarrolla tecnología de almacenamiento en red basada en aire comprimido. En su próxima ronda, Ambri tiene la intención de perseguir a los inversores de la industria de la energía, con la esperanza de que empresas como General Electric, ABB y Siemens puedan aportar no solo dinero, sino también credibilidad y experiencia en fabricación y marketing. Pero incluso si la ingeniería de Ambri es impecable y la empresa obtiene todo el dinero que necesita, enfrentará el mismo obstáculo al que se enfrentan muchas otras empresas de energía alternativa: gas natural barato. Dado que el gas natural se ha convertido en el combustible preferido para la generación de energía en los Estados Unidos, el precio que debe alcanzar cualquier tecnología de almacenamiento en red para ser competitiva ha bajado mucho más.
El factor más significativo a favor de Ambri puede ser, en última instancia, el estado chirriante de la red en sí. Los cortes masivos causados por los huracanes Sandy e Irene expusieron dolorosamente cuán vulnerable es el sistema eléctrico, lo que llevó a los políticos y al público a exigir soluciones. El almacenamiento en la red podría agregar la resiliencia y la flexibilidad que tanto se necesitan, proporcionando energía de respaldo a los edificios e incluso a las comunidades, al tiempo que permite a los operadores de la red suavizar las fluctuaciones en el suministro de energía. Algunas de las grandes centrales eléctricas centralizadas que ahora deben recibir mantenimiento para asegurarse de que el suministro pueda satisfacer la demanda ya no serían necesarias.
Hacer realidad esta visión de un sistema eléctrico respaldado por cientos de baterías grandes llevará muchos años y significará cambiar el status quo en la industria de la energía eléctrica. No es una tarea fácil. Pero Ambri cree que su batería ofrece una forma de empezar a utilizarla.