¿Pilas incluidas?

El futuro de la energía. La búsqueda de mejores formas de almacenar la electricidad está al rojo vivo 

Kris Pupek, un químico industrial del Argonne National Laboratory en Lemont, cerca de Chicago, enfáticamente ondea en el aire un tubo de polvo blanco. Una sola pizca de su contenido es suficiente para que sus analíticos colegas determinen si tiene el potencial de ser el próximo material fenomenal en la investigación de las baterías. Pero Pupek no maneja pizcas. Su trabajo es determinar si lo potencial puede convertirse en práctico - en otras palabras, si algo que tiene las propiedades adecuadas puede fabricarse barato y en grandes cantidades. Si se puede, se pasa a la industria para hacer pruebas. La esperanza es que por lo menos uno de los tubos dará inicio a una revolución.

Las baterías representan una tecnología importante. La vida moderna sería imposible sin ellas. Pero muchos ingenieros las encuentran decepcionantes y consideran que podrían ser mejores. Produzca la batería correcta al precio correcto, piensan estos ingenieros, y se podría obviar el motor de combustión interna y tener un mundo en el que la norma sea el combustible libre, en la forma de energía eólica y solar. Eso sí que sería una revolución.

Sin embargo, es una revolución que las personas han estado esperando durante mucho tiempo. Y mientras más se espera, más se preguntan los incrédulos si ocurrirá alguna vez. El Centro Conjunto para la Investigación de Almacenamiento de Energía (JCESR por sus siglas en inglés), en donde trabajan Pupek y sus colegas, esperan demostrar que los incrédulos están equivocados. Han reunido los mejores cerebros en la investigación de energía de los laboratorios y universidades nacionales de los Estados Unidos, junto con un grupo de empresas interesadas. También tiene dinero. Acaba de recibir una donación de $120 millones del Departamento de Energía del país. El objetivo, vivamente expresado, es hacer baterías cinco veces más poderosas y cinco veces más baratas en cinco años.

Sea positivo

La mayoría de las baterías, desde los antiguos, pesados monstruos de ácido de plomo utilizados para arrancar los vehículos, a la elegante pequeñita pila de litio que provee de energía a un sinnúmero de objetos desde libros electrónicos a relojes, tienen tres componentes esenciales: dos electrodos (un ánodo y un cátodo) y un medio llamado un electrolito que permite iones cargados positivamente entre los electrodos, equilibrando el flujo de electrones cargados negativamente que constituye la corriente útil de la batería. La habilidad para crear nuevos tipos de baterías es probar con los materiales de estos tres componentes de manera que las cosas sean mejores y más baratas. Los polvos blancos de Pupek se encuentran entre esos materiales.

Para descubrir más de ellos, Argonne hará uso de una rápidamente creciente enciclopedia de sustancias creadas por Gerbrand Ceder del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Ceder dirige el Proyecto de Materiales, que trata de convertirse en el "Google de las propiedades de los materiales". Les permite a los investigadores acelerar la manera en que buscan cosas con propiedades específicas. Argonne utilizará el Proyecto de Materiales como una biblioteca de referencia en su búsqueda de mejores electrodos, y también espera contribuir al mismo.

La primera prueba de cualquier combinación de sustancias que surja del Proyecto de Materiales, o en cualquier otro lugar, será superar al dispositivo más exitoso de almacenamiento de electricidad de los últimos 20 años: la batería de litio-ion. Esas baterías se encuentran ahora en todas partes. Más destacado, ellas proveen de energía a muchos de los vehículos eléctricos e híbridos que están apareciendo en las carreteras. Mas infame tienen la tendencia a sobrecalentarse y quemarse. Dos fuegos recientes en los aviones Dreamliners 787 de Boeing podrían haber sido ocasionados por estas baterías o sus sistemas de control. El mejorar el litio-ion sería un triunfo para cualquier laboratorio.

George Crabtree, el nuevo director de JCESR piensa que esas mejoras se necesitarán pronto. Considera él que la mayor parte de las ganancias en el desempeño del litio-ion ya se ha logrado, lo que hace a las baterías listas para ser reemplazadas. Jeff Chamberlain, el subdirector, es más optimista acerca de la tecnología existente. Dice que todavía podría ser posible duplicar la cantidad de energía que puede almacenar una batería litio-ion de un determinado peso, y también reducir su costo entre 30-40%.

Esto ilustra la incertidumbre sobre si la tecnología litio-ion, si es llevada al límite, puede hacer a los vehículos eléctricos verdaderamente competitivos con los que son movidos por motores de combustión interna, y mucho menos mejor. McKinsey, una consultora de negocios, conjetura que las baterías de litio-ion podrían ser competitivas para el 2020, pero, como muestra el gráfico, todavía hay mucho trabajo por hacer. Además, están surgiendo muchos pretendientes a la corona de litio-ion.

Probablemente la líder es la batería litio-aire, en la cual litio metálico se oxida en el ánodo y se reduce en el cátodo. En esencia, utiliza el oxígeno de la atmosfera como electrólito. Esto reduce su peso y significa que su densidad de energía es teóricamente enorme. Eso es importante. Una objeción a los vehículos eléctricos es que la gasolina provee seis veces más joules de energía en un kilogramo que lo que puede manejar una batería. El disminuir esa proporción haría los vehículos eléctricos más atractivos.

En consecuencia el enfoque del litio-aire ha generado muchas expectativas. Sin embargo, tiene problemas, que tomará años de investigación resolverlos. Las baterías de litio-aire son difíciles de recargar y extremadamente temperamentales. La reacción química que las potencia no está lejos de la combustión espontánea. Las baterías de litio-aire son altamente inflamables y requieren fuertes sistemas de seguridad para evitar que se incendien.

Afortunadamente, los investigadores de JCESR tienen otras castañas en el fuego. Una es la batería multivalente-ion. Un átomo de litio tiene un solo electrón disponible para reacciones químicas. Un átomo de magnesio, por el contrario, tiene dos electrones de valencia y un átomo de aluminio tiene tres.

Teóricamente, dice Chamberlain, esto significa que podría ser posible obtener dos o tres veces más energía de una batería de magnesio o de aluminio. A pesar de que estos metales no son tan ligeros como el litio (ni tan electropositivos, para emplear una palabra de la jerga química que es pertinente al argumento), sus electrones de valencia extras aumentan la cantidad de energía que pueden almacenar, lo que los hace competitivos con la gasolina. Son también más baratos que el litio. Y más seguros. Sin embargo, sus iones son más difíciles de mover dentro de una batería, razón por la que no han sido utilizados mucho en el pasado, y de ahí la necesidad de encontrar nuevos materiales.

La segunda transformación, además de los carros eléctricos, que mejores baterías podrían hacer realidad es lo que se conoce como un almacenamiento en rejilla en gran escala. Si esto se puede hacer suficientemente barato, revolucionaría las economías de la energía eólica y solar al hacer irrelevantes los principales problemas de sus fuentes - que el sol no siempre brilla y el viento no siempre sopla. Con este objetivo, los investigadores de Argonne están trabajando en lo que se conoce como baterías de flujo.

Siga la corriente

En una batería convencional el electrolito está contenido dentro de la célula y sirve para transportar iones entre los electrodos. La carga de la batería se retiene como una energía química potencial en esos electrodos. En una batería de flujo la carga es retenida en el electrólito mismo, que es almacenado en un tanque y luego bombeado a través de la célula a un lugar donde ocurren las reacciones electroquímicas.

A diferencia de baterías basadas en células, las baterías de flujo se pueden hacer muy grandes, de manera que pueden almacenar grandes cantidades de energía. En consecuencia la idea es utilizarlas para recolectar el excedente de energía de las turbinas eólicas y los paneles solares y guardarle para uso futuro. Pero sus electrolitos basados en agua limitan su potencial debido a la tendencia del agua a descomponerse por electrolisis. Eso restringe el voltaje al que pueden operar. Esta limitación podría ser superada sustituyendo sus electrolitos acuosos por orgánicos, y los investigadores de Argonne están tratando de hacerlo.

Un mundo conducido por baterías electrificaría partes de la economía, tales como el transporte, que ha sido recalcitrante y estimularía el cambio de costosos (y contaminantes) combustibles fósiles a "combustibles" tales como la luz solar que no cuesta nada. Como un manifiesto para una revolución, no será fácil de superar. La pregunta es, ¿ganarán los revolucionarios, o prevalecerá el anciano régimen?

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De The Economist, traducido por Diario Libre y publicado bajo licencia. El artículo original en inglés puede ser encontrado en www.economist.com