Pilas (segunda parte)

El problema de las pilas

En la primera parte de esta serie de columnas comentamos que uno de los más acuciantes problemas que enfrenta la humanidad frente a sus crecientes necesidades energéticas es el problema de almacenar excedentes de energía para su posterior uso. En palabras llanas, podemos llamar a este “el problema de las pilas”.

Pero ¿cuál es realmente el problema de las pilas? ¿Por qué es que no podemos almacenar los excedentes energéticos mundiales más allá de un par de horas y evitar así esta seguidilla de crisis energéticas? ¿Cuáles tecnologías se están explorando en el presente para superar esta limitación e insertarnos definitivamente en la senda hacia la ergicultura?

Soy físico y cuando pienso en un problema me gusta pensar en los aspectos fundamentales del mismo, reducir el problema, literalmente, hasta los “hierros”, como veremos en un momento.

Almacenar energía implica transferir la energía obtenida en un proceso (la absorción de la luz solar, la transformación del movimiento horizontal del viento en movimiento rotacional, el descenso de agua por una pendiente, la fisión nuclear, etc.) de una forma de materia —la que tiene originalmente esa energía (la luz, el viento, el agua, el uranio)— a otra —la que la va a almacenar (metales en pilas, gases comprimidos, agua, arena).

La materia que libera la energía se transforma en el camino. Así por ejemplo, los hidrocarburos en el petróleo al ser oxidados (quemados) se convierten en moléculas más simples, entre ellas el CO₂. De esa transformación se deriva buena parte de los problemas que tenemos actualmente con la extracción o producción de energía usando combustibles fósiles.

También para almacenar energía hay que modificar la materia a la que será transferida. Como sucede con la extracción o producción de energía, ese proceso también puede pasar factura al medio ambiente.

No hay almuerzo gratis —como comente en extenso en otra columna, ni siquiera para almacenar la energía.

Almacenar energía en baterías

Para que vayamos al grano —supongo que muchos se van desesperando ya— pensemos por ejemplo en lo que sucede en una batería. Las baterías son importantes medios de almacenamiento de la energía, pero no son la única manera de hacerlo, como veremos.

En términos muy simples, toda batería contiene 3 componentes básicos. Los electrodos, ánodo y cátodo como los llaman los entendidos, a los que van conectados los cables por los que extraemos o suministramos electricidad a la batería. Los electrodos están hechos normalmente de sustancias conductoras de electricidad, que pueden ser o bien metales (hierro, níquel, manganeso, plomo, cobalto, litio), también aleaciones y compuestos de estos metales, o bien semiconductores como el carbono.

Metales, recuerden esa palabra.

Cuando se estimula eléctricamente a las sustancias que forman los electrodos o se las pone en contacto con un electrolito (que es la tercera parte de la pila), ellas pueden liberar y absorber, hacia el interior de la batería, átomos, o más precisamente iones —que son átomos con carga eléctrica—El intercambio potencial de estos iones es la clave de la energía que las pilas pueden almacenar.

Como esta descripción elemental lo debe haber dejado claro, para hacer baterías necesitamos metales. Metales para hacer los electrodos y suministrar los iones que son la clave del funcionamiento de las pilas.

Los metales, sin embargo, no están inmediatamente disponibles en el medio ambiente, en el suelo, en las rocas, listos para ser incorporados en una batería, un cuchillo o el chasis de un vehículo.

Busque el objeto metálico más cercano a usted. Posiblemente está viendo una sofisticada aleación de varios metales, tal vez hierro, cobre, magnesio, estaño, etc. Para hacer ese objeto fue necesario extraer cientos de kilogramos de roca del suelo, liberar miles de millones de calorías y seguramente usar mucha, mucha electricidad [1]. Y así para cualquier llave, tenedor, hoja de papel aluminio y por supuesto la batería de litio de nuestros dispositivos móviles y de la mayoría de los vehículos eléctricos.

El primer problema importante con las pilas es que necesitan minería. Mucha minería.

No quiero estigmatizar de forma gratuita a la industria minera; todo hay que decirlo, la minería es la responsable de que tengamos buena parte del mundo material del que disfrutamos (la minería fue posiblemente la otra revolución, que como la agricultura creó el mundo en el que vivimos). Pero tampoco debemos olvidar que la extracción de minerales del suelo es una importante fuente de contaminantes, gases de efecto invernadero [2] y problemas sociales.

Si queremos resolver el problema del almacenamiento de energía, debemos minar la corteza terrestre.

La huella ambiental de las baterías

Tenemos en mi familia un carro eléctrico. Me siento orgulloso de contribuir un poquito con aligerar la dependencia del mundo de los combustibles fósiles, al menos, para satisfacer la demanda de energía en el sector de la movilidad personal. Me muevo tranquilo sabiendo que no soy una fuente móvil más de emisiones de gases de efecto invernadero y partículas contaminantes del aire. Pero tampoco soy ajeno al hecho de que para construir mi carro eléctrico se debió minar el suelo, primero para crear un chasis resistente (hierro y carbón) y una carrocería aerodinámica y elegante (aluminio y magnesio), y también, y más importante para nuestra discusión, para extraer cientos de kilogramos de litio que le permiten a su batería almacenar y liberar energía a voluntad.

En el caso del litio, que ha terminado por llamarse hoy el “oro blanco” por su creciente demanda para la fabricación de baterías [3], primero para dispositivos electrónicos y cada vez más para vehículos eléctricos, la extracción deja una huella ambiental y humana no despreciable. 

Para extraer una tonelada de litio se debe disponer de más de 2 millones de litros de agua [4]. El problema se agrava porque los sitios en los que se extrae una buena parte del litio que usamos para las baterías en la Tierra hoy, es decir los salares de los desiertos del norte de Chile, tienen un déficit importante de agua. Los pobladores de estos lugares deben ver como miles de millones de litros del preciado líquido que necesitan para la agricultura o el consumo humano, deben desviarse para extraer litio para las baterías que demanda la transición a la ergicultura. Una parte del problema está pegado debajo de mi carro.

Pero hay también otro secreto aún más oscuro en mi vehículo y en muchas de las baterías que usan litio hoy en el planeta. 

Existen dos tipos de baterías de litio (o de ión de litio como dicen los entendidos): aquellas que usan un cátodo hecho de una mezcla de óxidos de litio, cobalto, níquel o manganeso (las más comunes usan el óxido LiCoO2); y aquellas que usan un compuesto denominado ​​litio-hierro fosfato (abreviado LFP). 

Las primeras son hoy las más utilizadas por ejemplo para fabricar las baterías de nuestros celulares, computadores portátiles, y también las baterías de los vehículos eléctricos (como el que tengo), y las de las inmensas estaciones de potencia con baterías (battery storage power station, BSBS) que son nuestro primer paso hacia la ergicultura (ver más adelante).

El problema de las baterías de ión de litio más comunes hoy (las de cátodo de LiCoO2) es que usan cobalto, un metal relativamente escaso en la corteza terrestre y del cual el 70% de las reservas están en los suelos del Congo. Allí, por complejas razones políticas, históricas, sociales y culturales, el cobalto es extraído en condiciones muy lejanas a los estándares de  la minería usados en otras partes del mundo. Los niños y niñas mineras son esclavizadas para extraer el mineral de las rocas, y la contaminación causada por esta actividad no está regulada y afecta a muchas personas [5].

Estás son las “cuentas” que debemos tener claras con la baterías. El costo ambiental y humano de la ergicultura con pilas parece ser muy alto. No hay almuerzo gratis, eso es claro, pero es muy importante que no haya esclavitud entre quiénes lo preparan.

Pero hay una luz en el horizonte. Las baterías de ión de litio que usan electrodos con cobalto y manganeso (metal cuya minería también produce innumerables problemas ambientales y humanos en África) están siendo rápidamente reemplazadas por baterías del tipo LFP, que no usan cobalto. Se espera que estas baterías terminen reemplazando en está década a las LiCoO2 por el bien de los menores y en general de las personas en el Congo. Ahora, el problema parece ser que la demanda del carbonato de litio, una de las fuentes del oro blanco en algunos yacimientos en Asia, se ha disparado, elevando significativamente los costos de estas baterías [6]. Esto sin mencionar otros efectos ambientales [7].

Arreglas un problema y creas otros dos.

De regreso a la fuente

Otro asunto que afecta la huella que deja la movilidad eléctrica es el hecho de que la energía que se utiliza para cargar las baterías de los vehículos eléctricos puede venir de fuentes primarias sucias. Un carro eléctrico puede parecer muy “limpio” porque no produce emisiones, pero si la energía que almacenan sus baterías viene de la combustión de carbón, gasolina o gas natural (en ese orden) no estamos haciendo nada.

En Colombia, la mayor parte de la energía con la que cargamos los vehículos eléctricos es energía que viene de centrales hidroeléctricas (la fuente primaria es la gravedad), que se supone dejan una huella material menor —más no nula— en el ambiente. Pero en otros países, tales como Alemania, China o Estados Unidos, para citar tres ejemplos bien paradigmáticos, no verás un vehículo eléctrico en la calle sin que buena parte de la energía que lleva encima haya sido producida quemando combustibles fósiles. Los vehículos eléctricos parecen allí una buena tapadera para un problema que no desaparece.

A pesar de esto, es interesante saber que una parte de la energía que se extrae de fuentes primarias, sean estas limpias o sucias, va a parar temporalmente a las baterías de cientos de miles de vehículos en el mundo y que allí se almacena para luego convertirse en movimiento. Esto ya es una primera buena noticia, un vistazo de lo que será la era de la ergicultura.

Pero hay que hacer un esfuerzo aún mayor. Deberíamos poder almacenar en baterías cerca a las fuentes primarias, cientos de GWh de energía que no se usan inmediatamente se producen; energía que después podamos liberar para cargar vehículos eléctricos, pero más importante, para satisfacer nuestras necesidades en todos los sectores, especialmente aquellos que más contaminan.

Hoy ya existen enormes instalaciones de baterías cerca a centrales de extracción y producción energética que pueden almacenar una buena parte de los excedentes que se producen allí, los BSBS que mencionamos antes [8].

Pero la fabricación de estas baterías sigue produciendo un gran impacto material a través de la minería [9] y después un impacto ambiental no despreciable cuando cumplen su ciclo de vida [10].

Almacenar energía en la gravedad

Afortunadamente nuestra especie es inmensamente rica en un recurso renovable inmaterial: el ingenio.

En las últimas décadas se han ideado sistemas de almacenamiento de energía que no usan baterías convencionales y que por tanto liberan la presión material que sobre el mundo produce la minería de los metales. Estos sistemas nos permiten echar una mirada a cómo podría lucir el futuro de la ergicultura en la Tierra.

El primer sistema de almacenamiento alternativo a las baterías, es la gravedad misma. El campo gravitacional de la Tierra convertido en una pila: así o mejor. 

La idea es más antigua de lo que pensamos y en realidad viene usándose desde hace más de un siglo. Es más, aunque la mayoría lo ignoramos, los sistemas de almacenamiento de energía usando la gravedad constituyen hoy buena parte de nuestra capacidad ergícola [11].

La idea es bastante sencilla. Si el agua almacenada en un estanque a gran altura baja por una pendiente libera su energía gravitacional; energía que podemos convertir después en electricidad al hacer pasar el agua por un generador (que es el mecanismo que usamos en una central hidroeléctrica). Este es el principio básico de la hidroelectricidad.

A la inversa, podemos utilizar energía eléctrica (aquella que queremos almacenar temporalmente) para hacer subir agua por una pendiente y ponerla en un estanque. Una vez arriba, el agua estaría cargada de energía potencial gravitacional; energía que podría liberarse cuando queramos, dejando bajar nuevamente el agua.

¿Sencillo no?

Imaginen la escena. Instalas un sistema de celdas solares en el techo de tu casa. El sistema te provee electricidad en el día —cuando hay sol—, pero debes almacenar parte de esa energía para la noche. Para evitar el uso de baterías, porque no quieres contribuir con los problemas ambientales y sociales de la minería —aunque en realidad lo que no puedes es pagar el valor de las baterías que son cada vez más costosas [12]—, instalas un sistema de almacenamiento gravitacional. El sistema usa parte de la electricidad obtenida de la luz solar bombeando agua a un tanque en lo alto de una torre o en el techo mismo de tu casa. En la noche, parte del agua se deja caer pasando por un microgenerador que produce electricidad para suplir tus necesidades en las horas de oscuridad. Mejor aún. Como es posible que no uses en la noche toda la energía gravitacional del agua que bombeaste el día anterior, contarás con una energía gravitacional de respaldo en caso de que no haya suficiente luz solar. 

Bienvenidos al mundo de la ergicultura domiciliaria de bajas emisiones.

Aunque esta situación es completamente hipotética, en realidad los sistemas de energía solar domiciliarios entregan (venden) los excedentes a la red pública, red de la que posteriormente reciben energía en la noche o en los días nublados. Este sencillo ejemplo permite ilustrar bien cómo la gravedad podría ayudarnos a resolver el problema de la ergicultura, incluso en sistemas de energía descentralizados.

Millones y hasta miles de millones de MWh podrían almacenarse en el mundo todos los días usando estas hidroeléctricas inversas [13]. Bueno, si es que contamos con el agua y el espacio suficientes. Porque este es, sino el más importante, el problema más obvio que tienen estos sistemas de almacenamiento de energía; necesitamos mucha agua y hay que bombearla y almacenarla sin crear otros problemas ambientales como los que sabemos tienen los embalses de las centrales hidroeléctricas. Adicionalmente, el agua tiende a evaporarse y la eficiencia (el número de kWh que obtenemos de vuelta por cada kWh que invertimos bombeando agua) no es precisamente la más alta. Esto sin mencionar el hecho de que necesitamos “microgeneradores” eficientes y baratos y toda la parafernalia que rodea la transmisión y conversión de la electricidad que sale de allí en electricidad utilizable por nuestros electrodomésticos. Y eso que de electricidad tampoco vive el mundo.

Sales calientes

Como dice el refrán, y si no dice, debería, cuando no hay espacio o agua, siempre podemos contar con el calor. Y es que el calor podría ser una alternativa muy eficiente para el almacenamiento de energía a largo plazo; una alternativa muy obvia ¿cómo no se nos había ocurrido antes?

Buena parte de la energía que hoy se produce y extrae en el mundo viene de cosas que están a gran temperatura: el horno de una central térmica (sucio [14]), la cámara de combustión de un motor a gasolina (sucio) o el núcleo de un reactor nuclear de fisión o fusión (limpio). Incluso, parte de la energía solar (limpia) que cosechamos en el mundo, se obtiene concentrando con espejos la luz del Sol para calentar a cientos de grados una sustancia resistente [15].

La energía térmica —que es el término más correcto para referirnos en este contexto al “calor”, aunque seguiré llamándola así para ahorrar bytes— es pues un punto intermedio entre muchas formas de energía primaria, energía química en los combustibles fósiles, energía nuclear en el uranio o en el hidrógeno o energía solar, y las formas de energía útil, electricidad y movimiento, que utilizamos.

¿Qué tal si almacenamos parte de todo ese calor antes de convertirlo en energía útil?

Hay un obstáculo: las leyes de la física; en particular, la segunda ley de la termodinámica. Según estas leyes siempre que se establece una diferencia de temperatura entre dos cosas (por ejemplo el núcleo de un reactor nuclear y su entorno exterior) la energía térmica fluye en dirección a donde la temperatura es menor.

En palabras llanas, las cosas calientes se enfrían —¡estos físicos enredan un saludo!

Pero de nuevo, el ingenio humano, que parece no conocer límites —tanto para lo bueno como para lo malo—, está ideando “soluciones” para esta mala costumbre que tienen las cosas de enfriarse, soluciones que podrían aplicarse en nuestra transición hacia la ergicultura.

Actualmente se vienen desarrollando dispositivos en los que el calor producido en un sistema de generación de energía es transferido a una sustancia —sales, agua, silicio, concreto— que almacenada adecuadamente puede conservar su temperatura por mucho tiempo.  ¡Tal y como lo oyen! ¡Agua caliente! Esta podría ser parte del futuro ergícola.

Y las posibilidades para almacenar energía no terminan ahí [16]. La era de la ergicultura está apenas comenzando y promete.

¿Baterías de hidrógeno?

En una columna anterior había hablado ya sobre el hidrógeno y su inmenso potencial como “vector energético” para el futuro. Cuando hablamos de almacenamiento de energía a largo plazo es imposible no mencionar el potencial que tiene el hidrógeno para, si no almacenar estrictamente, al menos retrasar la conversión de energía de las fuentes primarias que explotamos, a energía útil (electricidad y movimiento).

En los sistemas que he mencionado hasta ahora, baterías químicas, hidroeléctricas inversas, líquidos y sólidos calientes, la energía que se quiere almacenar se transfiere directamente a la materia de la “pila” en la forma de enlaces químicos, gradientes iónicos, energía gravitacional o energía térmica. En contraposición, en el caso del hidrógeno, la energía que se quiere transportar —por eso es que se lo llama un vector energético— se usa simplemente para liberar los átomos de hidrógeno del ménage à trois en el que vienen en el agua.

No es que el hidrógeno termine acumulando energía en los sistemas de producción de este gas; es simplemente que ahora el gas queda libre y puede quemarse.

Así por ejemplo, en los sistemas más eficientes y limpios de producción de hidrógeno, es decir aquellos que usan las inmensas cantidades de energía térmica de reactores nucleares de fisión para descomponer por calor el agua, miles de litros del gas se producen aprovechando esa energía térmica. Al hacerlo el calor del núcleo del reactor se convierte en gases, hidrógeno y oxígeno, que pueden almacenarse en principio indefinidamente. Después, en una cámara de combustión o en una celda de combustible como las que usan los vehículos eléctricos alimentados con hidrógeno, el gas se mezcla con el oxígeno produciendo una reacción química autosostenida que libera energía química.

No, no hay baterías de hidrógeno, pero el efecto es muy similar y su potencial en la ergícultura es innegable.

Podemos imaginar un futuro en el que excedentes de energía térmica (reactores nucleares, energía geotérmica, luz solar concentrada) o de energía eléctrica (paneles solares, hidroeléctricas, generadores eólicos) se “almacenen” produciendo millones de metros cúbicos de hidrógeno que pueden ser quemados a voluntad para producir electricidad y movimiento.

El Sol y el núcleo atómico, atrapados como el genio de las mil y una noches en pipetas de hidrógeno.

Pero los problemas no sobran tampoco aquí. El hidrógeno es el átomo más pequeño que existe y se filtra incluso entre los más pequeños intersticios atómicos de los recipientes y sistemas de conducción que hemos inventado. Adicionalmente, el hidrógeno es un gas extremadamente volátil y reactivo que puede crear no pocos riesgos para quiénes lo manipulan o almacenan. Y finalmente, pero no menos importante, es un gas y por lo tanto necesitamos mucho, mucho espacio para almacenar cantidades relevantes de la sustancia que puedan ayudarnos a extraer la energía que necesitamos.

El fin…¿o el principio?

Sí, en el mundo que nos rodea abunda la energía.

También abunda el ingenio humano que necesitamos en cantidades significativas para extraer esa energía de formas cada vez más limpias y eficientes.

Pero mientras no podamos almacenar todos los excedentes energéticos, mientras no usemos lo mejor del ingenio humano y de la ciencia, que es un poderoso catalizador de ese ingenio, seguiremos siendo cazadores y recolectores de energía con imperios, ciudades y poblaciones crecientes que viven todavía de la caza de kWh y de bayas energéticas del bosque.

Bueno, al menos hasta que hayamos acabado definitivamente con él.

¡Pilas!

Notas del autor y referencias

[1] El aluminio, un metal ligero y maleable, que es hoy súper importante para fabricar objetos de la vida cotidiana, se extrae de los minerales usando ingentes cantidades de electricidad.  Para obtener, por ejemplo, una tonelada de Aluminio se necesitan cerca de 20 MWh (megavatios hora) y algunas plantas necesitan hidroeléctricas exclusivas para alimentar de electricidad este proceso. Fuente: http://wordpress.mrreid.org/2011/07/15/electricity-consumption-in-the-production-of-aluminium/. 

[2] La minería y la extracción de los metales producen anualmente casi el 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero del planeta.  Aún . Vea Cox, B., Innis, S., Kunz, N. C., & Steen, J. (2022). The mining industry as a net beneficiary of a global tax on carbon emissions. Communications Earth & Environment, 3(1), 1-8. Disponible en https://go.nature.com/3iRBD9Q.

[3] Los precios del litio se han disparado de forma significativa en los últimos dos años, lo que puede producir de un lado una presión excesiva para encontrar nuevas fuentes del mineral del que se extrae pero también podría hacer que el precio de los vehículos eléctricos se eleve considerablemente.  Para leer más ver:  https://elements.visualcapitalist.com/lithium-prices-surge-on-ev-demand-from-china/

[4] Para una nota discutiendo los efectos de la minería de litio leáse https://www.euronews.com/green/2022/10/28/south-americas-lithium-triangle-communities-are-being-sacrificed-to-save-the-planet.

[5] Para un análisis de la situación de la extracción de Ccobalto en el DRC (Democratic Republic of Congo) puede leer https://www.washingtonpost.com/news/in-sight/wp/2018/02/28/the-cost-of-cobalt/ o el informe más general sobre el impacto en los derechos humanos que tienen en general las cadenas de suministros de las energías renovables https://www.investmentmonitor.ai/business-activities/esg/human-rights-renewables-supply-chains.

[6] Para un informe sobre los costos de los insumos químicos de las baterías deión de Litio hoy lean: https://elements.visualcapitalist.com/lithium-prices-surge-on-ev-demand-from-china/

[7] China, que es hoy el productor del 60% de las baterías está desesperada buscando fuentes de litio en la propia Asia, lamentablemente a un costo ambiental y humano muy alto. Ver por ejemplo:  https://tibet.net/lichu-river-poisoned-case-of-minyak-lhagang-lithium-mine-protest/.

[8] Para un panorama del estado de nuestra capacidad para almacenar energía en baterías en los lugares donde se produce ver: https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_storage_power_station.

[9] Un completo informe sobre el impacto sobre el clima que tiene la producción de baterías de ión de litio pueden leer “Analysis of the climate impact of lithium-ion batteries and how to measure it” disponible en línea aquí:  https://www.transportenvironment.org/wp-content/uploads/2021/07/2019_11_Analysis_CO2_footprint_lithium-ion_batteries.pdf

[10] Para un análisis del problema del reciclado de las baterías, un problema que se está incrementado a gran velocidad en el presentea y alcanzará su pico en la próxima década pueden leer: https://interestingengineering.com/innovation/recycling-batteries-there-isnt-scrap-to-feed

[11] Se calcula que hay en el mundo cerca de 200 GW disponibles en cada momento solo en energía almacenada en la forma de hidroelectricidad bombeada (PSH por el acrónimo en inglés de Pumped-storage hydroelectricity). Esto es mucho más que los 20 GW que se calcula existen en la forma de sistemas de almacenamiento con baterías. Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity. 

[12] El costo del almacenamiento en baterías de un sistema de energía solar domiciliaria puede oscilar entre unos cientos de dólares si se usan baterías convencionales de hierro y plomo (que no tienen mucha capacidad) hasta un par de miles de dólares si se usan baterías de ión litio. Para un análisis de los costos de las baterías en sistemas de energía solar domiciliaria ver: https://www.solarreviews.com/blog/is-solar-battery-storage-worth-it-given-current-solar-battery-cost.

[13]  Se calcula que hoy se pueden almacenar en estos sistemas 1600 MWh en todo el mundo. que es más de 4 veces los 400 MWh que podemos almacenar en baterías. Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity.

[14] Cuando me refiero aquí a “sucio” o “limpio” estoy haciendo referencia a si la fuente de energía usada para elevar la temperatura de la materia en esas fuentes de energía producen altas o bajas emisiones de gases de efecto invernadero.

[15] En los sistemas que usan luz solar concentrada (CSP por su sigla en inglés), no se convierte la energía de la luz directamente en electricidad como se hace con las celdas fotovoltaicas, sino que esa energía se usa para fundir una sal, sustancia que después devuelve el calor latente almacenado en ella al solidificarse calentando agua hasta vaporizarla, vapor que después produce electricidad de la misma manera que lo hace una central térmica común.  Ver: https://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power. 

[16] Para una lista de las distintas opciones que se están considerando para el almacenamiento de energía y sus costos actuales y futuros ver https://www.pnnl.gov/ESGC-cost-performance.