Inicio Energías Generar, transformar, distribuir energía… ¿dónde, cómo y con qué la acumularemos?

Generar, transformar, distribuir energía… ¿dónde, cómo y con qué la acumularemos?

por Jose Roberto Duque
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Nelson Chávez Herrera

Foto principal (arriba): fábrica de baterías de litio

El litio parece ser el futuro en cuanto a sistemas de acumulación electroquímica. El detallazo de que en Venezuela no tenemos grandes cantidades de litio debe resolverse

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Las energías eólica y solar mantienen una característica común: son intermitentes.

El investigador en Electroquímica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de los Andes (ULA), doctor Ricardo Hernández, cuya conferencia en Jornada de Energías Renovables desarrollada en la Facultad de Ingeniería de la ULA versó sobre los “Sistemas de almacenamiento de energía electroquímica”, hizo evidente esta condición: “En el caso de la eólica, si sopla el viento tenemos energía, si no sopla, no tenemos. Sale el sol: tenemos energía solar; se oculta, se acabó la generación. Este tipo de energías renovables solo son aprovechables en la inmediatez”.

Sacar mayor provecho de estas energías en el momento de su generación hace imprescindible almacenarlas. Es entonces cuando las baterías electroquímicas entran en la ecuación de las energías renovables como elemento contaminante, y su producción, reciclaje o importación, se presentan como incógnitas a despejar para el problema de la soberanía enérgética.

En el momento en que una fuente de energía está en plena generación existen dos opciones para aprovecharla: disponerla directamente hacia el consumo o almacenarla con el fin de utilizarla posteriormente; también pueden ser las dos al mismo tiempo.“Un sistema de almacenamiento de energía absorbe energía para entregarla un tiempo después. Ese es el principio básico. Tenemos una fuente de energía solar o eólica que está generando, pero llega un determinado momento en que no genera más, se fue el sol o se detuvo el viento”, explica Hernández. La intermitencia de estas fuentes de energía plantea como conveniente acumular parte de esa energía generada, pero en muchos casos, para almacenarla, es indispensable transformarla. 

ensamblaje de una batería de litio

Los paneles solares transforman la energía solar en energía eléctrica, pero si el propósito es acumularla ésta puede transformarse en energía potencial o en energía química, para poder almacenarla en baterías de plomo ácido o en baterías de litio, en forma de combustible.

Formas de almacenamiento

Las principales formas de almacenamiento de la energía son mecánicas, eléctricas y químicas. Los almacenamientos mecánicos acumulan energía eléctrica en forma de energía potencial, los eléctricos en forma de energía electrostática, los químicos en forma de enlaces químicos.

Estas tecnologías, según comenta el profesor Ricardo Hernández, “pueden categorizarse según la duración del almacenamiento, el tiempo de respuesta y la escala del almacenamiento (en kilovatios (kWh), megavatios (MW) o gigavatios (GW)”. Duración, respuesta y escala determinan la forma más conveniente según sean los requerimientos.

De acuerdo a los datos manejados en la conferencia por el investigador, “hasta 2017 únicamente el 5% de la capacidad instalada de energía eléctrica a nivel mundial era almacenada, y de este 5% el 99% era almacenada en los sistemas hidroeléctricos; el 1% restante se repartía en almacenamientos mecánicos (aire comprimido y volantes inerciales: 0. 46 %) y almacenamiento químico (0.54%)”. 

Datos a considerar

“El almacenamiento químico ocupaba para el año 2017 aproximadamente un 0.54 % del almacenamiento de energía global pero su utilidad crece”. Especialmente con el uso de las baterías de litio utilizadas en los automóviles eléctricos, teléfonos celulares, equipos tecnológicos, acumuladores para la energía eólica y solar fotovoltaica.

El coque es rico en azufre

La importancia de las baterías no puede minimizarse si se quiere diversificar la matriz energética nacional con soberanía. Implica conocer los materiales con que están hechas, saber de la existencia o inexistencia de las materias primas en el territorio y realizar un diagnóstico de las dificultades para producirlas con recursos propios. Amerita investigación, desarrollo, innovación. 

Una batería de plomo ácido o de litio es un sistema de almacenamiento electroquímico. “La característica común de los almacenamientos electroquímicos es que almacenan energía eléctrica en forma de energía química y luego pueden revertir este proceso, es decir, pueden convertir esa energía química nuevamente en energía eléctrica mediante un proceso químico de oxidación–reducción llamado redox”. Este proceso consiste en la transferencia de electrones entre los elementos químicos que componen internamente una batería y resulta posible gracias a las reacciones químicas generadas entre ellos dada su diferencia de potencial electroquímico.

En el caso del litio, dada su reactividad, fue necesario colocarlo en relación con el óxido de cobalto o el óxido de otros metales como el óxido de cobre o de manganeso para lograr estabilizarlo, pero esto llevó años de investigación, pues las primeras baterías de litio eran muy inestables y llegaba un momento en que se recalentaban, explotaban y se incendiaban.

¿Cómo están hechas y cómo funcionan? 

Una batería de plomo ácido como la de los automóviles está compuesta por unas seis celdas de aproximadamente 2 voltios cada una y conectadas en serie. Cada celda está compuesta por delgadas láminas de plomo intercaladas con láminas de dióxido de plomo: inmersas en una solución electrolítica compuesta por agua y ácido sulfúrico. “La mezcla de diferentes elementos o compuestos de distinto potencial electroquímico hace posible la reacción redox”.

En la carga de la batería el sulfato de plomo capta electrones y es reducido a plomo metal, formando óxido de plomo que pasa a ser metal de plomo en la lámina. En la descarga de la batería se invierte el proceso: el plomo metálico es oxidado formando la corriente eléctrica que se toma del acumulador.

En baterías de plomo ácido el proceso “redox” ocurre entre el plomo, el agua y el ácido sulfúrico. En las baterías de litio el proceso “redox” ocurre entre el litio, el óxido de cobalto o de cobre, aluminio, manganesio, grafito, según sea el fabricante de las baterías, armadas o estructuradas de manera similar a las baterías de plomo ácido, en capas de elementos intercalados. 

Baterías convencionales

Por qué las baterías de litio se venden como el futuro

La eficiencia de la tecnología del litio es superior. El litio es el tercer elemento de la tabla periódica, el elemento con mayor potencial electroquímico y el más ligero, solo por debajo del hidrógeno y el helio. El potencial electroquímico es la capacidad de entregar y recibir electrones y el litio es uno de los elementos químicos capaces de recibir y entregar más carga eléctrica en menor masa atómica, por eso puede acumular mayor cantidad de energía en menor peso.

Las baterías de litio pueden descargarse hasta casi un 100 % en tanto las de plomo ácido solo hasta un 40%. Las de litio pierden menos de un 1% de la energía recibida en el proceso de transformación mientras las de plomo pierden en el mismo proceso cerca de un 10%. Otra ventaja de las baterias de ion-litio con respecto a las de plomo-ácido es su duración, garantía y alta capacidad de carga en poco peso. En cuanto a sistemas de acumulación electroquímica, según los expertos, el litio parece ser el futuro. 

Los envases plásticos de las baterías se hacen regularmente de polipropileno. Actualmente no se fabrican en el país pero podrían hacerse porque contamos con propileno, la materia prima. El problema está en la ausencia de reservas de litio y de plomo.

Fabricar baterías es un problema a resolver si el uso de las energías renovables solar y eólica se acepta como medio para diversificar la matriz enérgetica nacional y esta solución se plantea en términos de soberanía. Fuera de posibles alianzas políticas o comerciales o de importar lo que haga falta, las preguntas pertinentes para pensar en producirlas con recursos propios serían: ¿qué debe hacerse a nivel de investigación, desarrollo e innovación para resolver el problema de las baterías con recursos propios? Una posible pregunta reflexiva podría ser: ¿qué haría un inventor como don Luis Zambrano ante un problema como este?

Fábrica de baterías de litio

Investigación, desarrollo e innovación

En este sentido la opinión del profesor Ricardo Hernández para zanjar esta dificultad material abre algunas puertas: “más allá del plomo o del litio, elementos de los que no tenemos grandes depósitos en el país, habría que meterse a desarrollar la tecnología del azufre, el coltán o el cobalto. En el horizonte lo que se ve es litio y seguramente no podemos quedarnos atrás, pero el campo de investigación de las baterías es constante. La gente que trabaja con baterías plomo-ácido trabaja para hacerlas más eficientes, para que no las saquen del mercado. Una ventaja de la batería de plomo ácido, por ejemplo, es que todos los materiales con que está elaborada, en un 98% se pueden reutilizar para hacer una nueva batería. En el caso del ion-litio eso todavía está en investigación. Con las baterías de plomo-ácido podríamos desarrollar la forma de recuperarlas, porque vamos a tener que seguirlas utilizando”. 

“El problema de la batería de azufre es que es de muy alta temperatura porque trabaja con sales fundidas. Necesitas fundir las sales para que la batería comience a generar y la otra desventaja es su peso y su tamaño, son baterías de grandes dimensiones. Pensar en llevar una batería de azufre o de sulfuro de sodio a una zona alejada o de dificil acceso no vale la pena. La batería de azufre podría tener aplicaciones, por ejemplo, junto a una petroquímica, en un poblado con facilidades de transporte. Hoy día debe considerarse el factor transporte. La gente de FUNDELEC conoce lo que es transportar un banco de baterías con mulas, en bongo, en curiara. El azufre lo tenemos con el propio ácido sulfúrico, tenemos mucho. En Alemania y en Japon existen plantas de baterías de azufre”.

Las opciones estimadas por el profesor Ricardo Hernández dejan planteadas inicialmente dos posibilidades para empezar a resolver el problema: desarrollar baterías de azufre y hacer reciclaje del plomo. 

Nuevamente el reciclaje

La misma opinión viene de parte del profesor Carlos Muñoz, Decano de la Facultad de Ingeniería de la ULA: “El azufre lo tenemos con el propio ácido sulfúrico, incluso en desechos de la explotación petrolera, la tecnología del azufre u otras como la del coltán podrían desarrollarse en el país. Como no tenemos la minería de plomo o de litio, la inversión también podría orientarse a montar en el país un proceso de reciclaje. El plomo que se usa para la fabricación de baterías en un 80% es reciclado, no se hace ya tanto impacto con el plomo en cuanto a minería se refiere. No tenemos plomo, pero la cantidad de carros que tenemos aquí con baterías es enorme. Entonces, en vez de exportarlas para deshacernos de ellas, podemos reciclarlas acá. En cuanto al reciclaje del litio este sigue siendo una preocupación. El litio está inundando el mercado y hasta el momento no es altamente contaminante, pero en grandes cantidades podría serlo. Para nosotros creo que la inversión en cuanto a baterías se refiere es mejorar los procesos de mantenimiento e implantar procesos de reciclaje”. Por qué no, investigar y desarrollar los posibles procesos de reciclaje de las baterías de litio.

Hasta 2017 únicamente el 5% de la capacidad instalada de energía eléctrica a nivel mundial era almacenada, y de este 5% el 99% era almacenada en los sistemas hidroeléctricos

Una característica esencial de las inventoras e inventores es encontrar soluciones a problemas aparentemente irresolubles con lo que se tenga a mano, la mayoría de las veces urgidos por la necesidad o impelidos por el genio. Simón Rodríguez dice que “las cosas no pueden estar a medio hacer sino mientras se están haciendo…”.

Las preguntas críticas pensando no solo en la producción de baterías o en el desarrollo de tecnologías de energías renovables con recursos propios, sino en el modelo o modo de vida pretendida o deseada para esta y las generaciones futuras serían: ¿qué debemos hacer, y qué no? ¿Por qué debemos hacer esto y no lo otro? ¿Cómo debemos hacerlo y con qué medios? ¿Qué debemos cambiar y en qué momento? Preguntas difíciles de responderse en su entera posibilidad si simplemente nos dejamos arrastrar por la corriente.

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