Almacenamiento de energía: ¿cómo se produce y que perspectivas hay?

Las tecnologías de almacenamiento de energía están experimentando una difícil transformación, vital en un clima emergente que necesita cada vez más energías renovables y hardware reciclable. Se prevé que sectores de almacenamiento de energía como el de las baterías de iones de litio experimenten un rápido crecimiento, mientras que las limitaciones de la cadena de suministro hacen que se estén desarrollando nuevas tecnologías de almacenamiento de energía alternativas, lo que crea nuevas oportunidades.

A través de una amplia gama de tecnologías de almacenamiento de energía, su historia y sus perspectivas de futuro, IDTechEx examina cómo se ha comportado el sector del almacenamiento de energía en el último año y hacia dónde se dirige en el próximo.

La demanda de iones de litio y materiales

Se prevé que la demanda de baterías de iones de litio experimentará un rápido crecimiento en los próximos 10 años, impulsada principalmente por la electrificación del transporte. Esto implicará un crecimiento de la demanda de coches eléctricos con baterías, pero también de un amplio espectro de tipos y segmentos de vehículos, y son estos segmentos no automovilísticos a los que se dirigirán muchos fabricantes de baterías.

El informe de IDTechEx «Baterías de iones de litio para vehículos eléctricos 2021-2031» cubre las tendencias de la tecnología de baterías para vehículos eléctricos y estudia los fabricantes de packs que se dirigen a autobuses, vehículos comerciales y muchos otros segmentos no automovilísticos. Sin embargo, aunque el ion-litio seguirá siendo la tecnología dominante en los vehículos eléctricos, el temor a posibles cuellos de botella en el suministro de ciertos materiales críticos, como el litio, el níquel o el grafito, puede acabar limitando el ritmo de adopción de los vehículos eléctricos.

Por su parte, el informe «Materiales para baterías y paquetes de baterías de vehículos eléctricos 2021-2031» prevé el crecimiento de la demanda de materiales para baterías de iones de litio incluidos en la célula y el pack, mientras que IDTechEx también cubre el mercado de iones de litio en general, incluyendo un análisis detallado de la tecnología y los actores. Más allá de los problemas que pueda causar el rápido crecimiento de la demanda de materiales, también existe preocupación por el impacto medioambiental y la sostenibilidad de la producción de Li-ion.

Reciclaje de iones de litio

El reciclaje ofrece una solución parcial a los problemas de sostenibilidad y de la cadena de suministro a los que se enfrenta la industria del ion-litio, ya que proporciona cierto grado de circularidad: los materiales de los residuos y de las baterías al final de su vida útil pueden ser extraídos y refinados para ser reutilizados en la fabricación de células y baterías. Esto puede tener varios efectos beneficiosos. Puede diversificar el suministro de materiales, ayudando a reducir la dependencia de un solo país o región.

Desde el punto de vista medioambiental, se espera que el reciclado de iones de litio, especialmente a través de rutas hidrometalúrgicas o de reciclado directo, reduzca las necesidades totales de energía para producir una célula, en comparación con el uso de materiales vírgenes. También se espera que otras emisiones, como las de SOx, NOx y partículas, además de las de CO2, sean menores al utilizar material reciclado en lugar de la extracción primaria. Las capacidades locales de reciclaje y refinado, como las que están empezando a crearse en Europa y Estados Unidos, también pueden reducir la distancia recorrida por los materiales, reduciendo aún más el perfil de emisiones de las baterías de iones de litio.

Sin embargo, incluso si se creara suficiente capacidad de reciclaje para tratar todo el volumen de residuos de baterías de iones de litio para 2030, el material reciclado sólo podría contribuir a una fracción de la demanda de material.

Para ayudar a paliar las posibles limitaciones de la cadena de suministro, se están desarrollando varias tecnologías alternativas de baterías y almacenamiento de energía que podrían sustituir a las baterías de iones de litio en aplicaciones en las que la densidad energética no es un parámetro tan crítico.

Pero la variedad de tecnologías de almacenamiento de energía disponibles y en desarrollo es más evidente en el sector del almacenamiento de energía estacionario. Esto es así porque la densidad de la energía se convierte en un factor menos crítico en el almacenamiento de energía estacionario, lo que permite utilizar una serie de tecnologías.

Baterías de estado sólido

Con la salida a bolsa de Solid Power y QuantumScape, las baterías de estado sólido están atrayendo una gran atención, especialmente para las aplicaciones de vehículos eléctricos. Los vehículos eléctricos son la principal motivación para el desarrollo de las baterías de estado sólido, y muchos fabricantes de automóviles han hecho anuncios para el año que viene. Se han producido mejoras en todas las secciones de la tecnología de baterías de estado sólido: polímero, óxido y sulfuro.

Entre estas mejoras, destaca el hecho de que el ánodo de metal de litio es esencial para conseguir una mayor densidad energética, lo que aumenta el rendimiento de las baterías de estado sólido para hacerlas más competitivas. Pasar del desarrollo de materiales y celdas a la producción piloto y en masa es también una tendencia importante. Es bastante habitual que los fabricantes de baterías de estado sólido se asocien con los fabricantes de automóviles para su desarrollo.

Baterías finas, flexibles e impresas

Hace tiempo que se habla de las baterías finas, flexibles e impresas, y muchas de ellas han encontrado nichos de aplicación. Muchas de las baterías tienen una tecnología madura, pero encontrar aplicaciones adecuadas con gran demanda es la clave para que esta tecnología crezca. Hay bastantes empresas en el mercado que trabajan en este ámbito, lo que significa que la competencia es cada vez mayor. La empresa que identifique las aplicaciones más relevantes -las que requieren las características especiales de las baterías delgadas flexibles e impresas- será la que triunfe y acapare este mercado.

Na-ion

El Na-ion ha despertado un renovado interés tras el anuncio de CATL de su desarrollo de Na-ion. Similares en muchos aspectos a las baterías de Li-ion, las de Na-ion utilizan Na como elemento de trabajo en lugar de Li, como su nombre indica. Las baterías de Na-ion se caracterizan generalmente por tener potencias y vidas de ciclo ligeramente superiores a las de las células de Li-ion NMC y LFP, pero con densidades de energía gravimétricas ligeramente inferiores. Aunque el Na-ion reducirá, por supuesto, la dependencia del litio, sus cátodos pueden seguir utilizando cobalto y níquel, por lo que su utilización para reducir la dependencia de estos materiales depende totalmente de las químicas específicas de los cátodos que se utilicen.

Baterías de flujo redox

Las baterías de flujo redox se diferencian de las baterías de intercalación, como las de iones de litio y de iones de nácar, en que almacenan la energía en el electrolito, separado de la célula electroquímica, lo que permite desacoplar la potencia energética. Este aspecto clave hace que las RFB sean muy adecuadas para aplicaciones de almacenamiento estacionario, especialmente las de larga duración.

El vanadio es, con mucho, la química más extendida, con 15-20 empresas que comercializan sistemas de vanadio. Sin embargo, el alto coste del vanadio conlleva unos elevados costes de capital que pueden ser prohibitivos para su uso generalizado, aunque se están explorando sistemas como el alquiler de electrolitos para intentar reducir el gasto de capital inicial. No obstante, el elevado coste del vanadio ha llevado al desarrollo de químicas de RFB alternativas que utilizan materiales activos de bajo coste, como la química basada exclusivamente en el hierro que está desarrollando ESS Inc. o incluso baterías de flujo que pueden utilizar compuestos orgánicos de bajo coste y ampliamente disponibles como material activo del electrolito.

Alternativas e hidrógeno para el almacenamiento de energía

También se están explorando tecnologías no electroquímicas, como el almacenamiento gravitacional o el almacenamiento criogénico en aire, pero se encuentran en una fase temprana de desarrollo y pueden no ser adecuadas para un almacenamiento económico a largo plazo. El equilibrio de la oferta y la demanda en las redes que utilizan altos porcentajes de energías renovables variables requerirá una combinación de almacenamiento de energía, exceso de capacidad, interconexión y otras soluciones como la capacidad de conexión a la red de los vehículos y la respuesta del lado de la demanda. De hecho, se están estudiando diversas tecnologías de almacenamiento no electroquímicas, desde los supercondensadores hasta el almacenamiento de energía en aire comprimido, para aplicaciones estacionarias.

El hidrógeno verde también se discute como una solución potencial para el almacenamiento de energía de larga duración y sigue recibiendo apoyo gubernamental. Los electrolizadores, ya sean del tipo PEM, alcalinos o de óxido sólido, pueden utilizarse para producir hidrógeno a partir del agua y almacenarlo para su uso posterior. Queda por ver si el almacenamiento de hidrógeno a largo plazo será factible. El almacenamiento en bombonas de gas puede ser demasiado costoso, mientras que el almacenamiento subterráneo en acuíferos o cavernas de sal, por ejemplo, tiene limitaciones geográficas y sigue sin probarse.