Cuando el sol brilla y el viento sopla, las centrales solares y eólicas de Alemania funcionan a pleno rendimiento. Durante nueve días de julio de 2023, las energías renovables produjeron más del 70 % de la electricidad generada en el país; hay momentos en que incluso es necesario apagar las turbinas eólicas para evitar sobrecargar la red.
Pero otros días, las nubes reducen la energía solar a un parpadeo y las turbinas eólicas languidecen. Durante casi una semana en enero de 2023, la generación de energía renovable cayó a menos del 30 % del total del país, y las plantas alimentadas con gas, petróleo y carbón se pusieron en marcha para compensar la escasez de energía.
Los alemanes llaman a estos períodos Dunkelflauten, palabra que significa “calma oscura”, y pueden durar una semana o más. Son una gran preocupación para sitios afectados por este letargo, como Alemania y partes de Estados Unidos, ya que los países impulsan cada vez más el desarrollo de la energía renovable. La energía solar y eólica combinadas contribuyen con el 40 % de la generación total de energía en Alemania y el 15 % en EE. UU. y, desde diciembre de 2024, ambos países tienen como objetivo lograr que, en 2035, el 100 % de su suministro energético provenga de energía limpia.
El reto: cómo evitar los apagones sin recurrir a combustibles fósiles, que son confiables pero que aumentan la temperatura del planeta.
CRÉDITO: FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISE
Resolver el problema de la variabilidad de la energía solar y eólica requiere repensar cómo suministrar energía a nuestro mundo, pasando de una red en la que las centrales de combustibles fósiles se encienden y apagan en función de las necesidades energéticas, a una que convierta las fuentes de energía fluctuantes en un suministro de energía continuo. La solución está, por supuesto, en almacenar energía cuando es abundante para que esté disponible para su uso durante los períodos de escasez.
Pero los dispositivos de almacenamiento de electricidad, cada vez más populares en la actualidad —las baterías de iones de litio— solo son costo-eficientes para compensar las fluctuaciones diarias del sol y el viento, no para los períodos de calma oscura de varios días. Y un método que lleva décadas almacenando electricidad mediante el bombeo de agua cuesta arriba y recuperando la energía cuando fluye de vuelta hacia abajo a través de un generador de turbina normalmente solo funciona en terrenos montañosos. Cuantas más plantas solares y eólicas se instalen en el mundo para que las redes dejen de depender de los combustibles fósiles, con más urgencia se necesitará madurar las tecnologías rentables que puedan cubrir muchos lugares y almacenar energía durante al menos ocho horas y hasta semanas seguidas.
Los ingenieros en diferentes partes del planeta están ocupados desarrollando esas tecnologías —desde nuevos tipos de baterías hasta sistemas que aprovechan la presión del aire, ruedas giratorias, calor o compuestos químicos como el hidrógeno—. No está claro cuál terminará siendo la ganadora.
“La parte creativa… está sucediendo ahora”, dijo Eric Hittinger, experto en políticas y mercados energéticos del Instituto de Tecnología de Rochester, quien fue coautor de un análisis publicado en 2020 en el Annual Review of Environment and Resources sobre los beneficios y los costos de los sistemas de almacenamiento de energía. “Mucho de esto se irá reduciendo a medida que los candidatos favoritos comiencen a aparecer”.
Encontrar soluciones viables de almacenamiento ayudará a determinar el curso general de la transición energética en los muchos países que se esfuerzan por reducir las emisiones de carbono en las próximas décadas, así como a determinar los costos de adoptar energías renovables —una cuestión muy debatida entre los expertos—. Algunas predicciones implican que la eliminación gradual de los combustibles fósiles de la red invariablemente ahorrará dinero, gracias a la disminución de los costos de los paneles solares y las turbinas eólicas, pero esas proyecciones no incluyen los costos de almacenamiento de energía.
Otros expertos subrayan la necesidad de hacer algo más que construir nuevos sistemas de almacenamiento, como ajustar la demanda eléctrica de la humanidad. En general, “tenemos que pensar mucho en cómo diseñamos la red del futuro”, dijo la científica de materiales e ingeniera Shirley Meng, de la Universidad de Chicago.
Reinventando la batería
Los dispositivos de almacenamiento de electricidad que están creciendo más rápidamente en la actualidad —tanto para redes eléctricas como para vehículos eléctricos, teléfonos y computadoras portátiles— son las baterías de iones de litio. En los últimos años se han implementado de manera masiva en todo el mundo para ayudar a equilibrar la oferta y la demanda de electricidad y, más recientemente, para compensar las fluctuaciones diarias de la energía solar y eólica. Una de las instalaciones de almacenamiento de baterías en red más grandes del mundo, en el condado de Monterrey, en California, alcanzó su capacidad máxima en 2023 en una instalación con una planta alimentada con gas natural. Ahora puede almacenar 3.000 megavatios-hora y es capaz de proporcionar 750 megavatios —suficiente para abastecer a más de 600.000 hogares cada hora durante hasta cuatro horas.
Las baterías de iones de litio convierten la energía eléctrica en energía química usando electricidad para alimentar reacciones químicas en la superficie de dos electrodos que contienen litio, almacenando y liberando energía. El litio se convirtió en el material de elección porque almacena mucha energía en relación con su peso. Pero las baterías tienen defectos, incluido el riesgo de incendio, la necesidad de aire acondicionado en climas cálidos y un suministro mundial finito de litio.
Meng explicó que las baterías de iones de litio no son adecuadas para un almacenamiento de larga duración. A pesar de la monumental caída de precios en los últimos años, siguen siendo costosas debido a su diseño y al precio de la minería y la extracción de litio y otros metales. El costo de la batería supera los 100 dólares por kilovatio-hora —lo que significa que un contenedor de batería que suministre un megavatio (suficiente para unos 800 hogares) cada hora durante cinco horas costaría al menos 500.000 dólares—. Proporcionar electricidad durante más tiempo pronto se volvería económicamente inviable, dijo Meng. “Creo que de cuatro a ocho horas es realmente un punto óptimo para equilibrar el costo y el rendimiento”, explicó.
Para períodos más largos, “queremos un almacenamiento de energía que cueste una décima parte de lo que cuesta hoy —o tal vez, si pudiéramos, una centésima parte”, dijo Hittinger—. “Si no puedes hacerlo extremadamente barato, entonces no tienes un producto”.
Una forma de reducir los costos es cambiar a ingredientes más baratos. Varias empresas en Estados Unidos, Europa y Asia están trabajando para comercializar baterías de iones de sodio que reemplacen el litio por sodio, que es más abundante y más barato de extraer y purificar. También se están desarrollando diferentes arquitecturas de baterías —como las baterías de “flujo redox”, en las que las reacciones químicas no tienen lugar en las superficies de los electrodos, sino en dos tanques llenos de líquido que actúan como electrodos—. Con este tipo de diseño se puede ampliar la capacidad aumentando el tamaño del tanque y la cantidad de electrolitos, lo que es mucho más barato que aumentar el costoso material de los electrodos de las baterías de iones de litio. Las baterías de flujo redox podrían suministrar electricidad durante días o semanas, dijo Meng.
Mientras tanto, la empresa estadounidense Form Energy acaba de abrir una fábrica en Virginia Occidental para fabricar baterías de “hierro-aire”. Estas baterías aprovechan la energía que se libera cuando el hierro reacciona con el aire y el agua para formar hidróxido de hierro. “Recargar la batería consiste en oxidar y desoxidar el hierro”, afirmó William Woodford, director técnico de Form Energy.
Como el hierro y el aire son baratos, estas baterías son económicas. El inconveniente de las baterías de hierro-aire y de flujo redox es que devuelven hasta un 60 % menos de energía de la que se les introduce, en parte porque se descargan gradualmente sin que se les aplique corriente. Meng cree que ambos tipos de baterías aún tienen que resolver estos problemas y demostrar su fiabilidad y rentabilidad. Pero la pérdida de eficiencia de las baterías de hierro-aire podría solucionarse haciéndolas más grandes. Y como las baterías de larga duración suministran energía en momentos en que la energía solar y eólica es escasa y más costosa, “hay más tolerancia para un poco de pérdida”, dijo Woodford.
