Fijas, móviles, flexibles: las baterías son la columna vertebral de bajo costo del sistema energético del futuro

La resolución del problema de las baterías como cuello de botella

La tecnología de las baterías se asocia a menudo con el problema del cuello de botella de los materiales: una transición rigurosa hacia sistemas de energía altamente renovables, combinada con una alta electrificación, requeriría grandes capacidades de almacenamiento en baterías, tanto estacionarias como móviles, para lo cual no hay suficiente litio disponible. La criticidad del litio es, sin duda, un tema importante, aunque investigaciones anteriores han señalado que se necesitarían sistemas bien establecidos de reciclaje, tecnología de vehículo a red (V2G) y transporte con baja intensidad de litio (vehículos eléctricos sin baterías).

Un estudio reciente analizó más a fondo una de las alternativas más prometedoras a las baterías de iones de litio (LIB) que se vislumbran en el horizonte: las baterías de iones de sodio (SIB). A diferencia de las LIB, las SIB se basan en materias primas abundantes, incluso más allá del material del cátodo: los ánodos pueden fabricarse con carbono duro en lugar de grafito natural, y el cobre, que se utiliza como colector de corriente en el ánodo, puede sustituirse por aluminio, que es más accesible y económico.

Simulaciones anteriores del sistema energético indicaron una demanda de baterías estacionarias de cerca de 75 TWhcap para 2050, mientras que una estimación para las baterías móviles reveló un papel predominante de estas últimas, con hasta casi 275 TWhcap para mediados de siglo. Los hallazgos más recientes indican una relación entre la capacidad de batería necesaria y la capacidad fotovoltaica solar instalada de aproximadamente 0,8 kWhcap/kW en un sistema energético global flexible y con costos optimizados que funcione íntegramente con energía renovable. Si se suma el nicho de la electrónica y otras aplicaciones, la demanda total de baterías podría superar los 350 TWhcap para 2050.

La evaluación de costos de abajo hacia arriba, desde el nivel de la celda hasta el nivel del sistema, mostró que las SIB ya están cerca de la paridad de costos con sus contrapartes de litio. Para 2025, se estimó que los costos a nivel del sistema serían de aproximadamente 120 euros (cerca de 134 dólares)/kWhcap. Al aplicar diferentes tasas de aprendizaje, los costos podrían reducirse hasta 2050 a un rango de 28,5 a 51,9 euros/kWhcap. Esto permite concluir que las baterías quedan descartadas como un cuello de botella, tanto por limitaciones de materias primas como por razones de costo. Además, las SIB, al ser una tecnología de sustitución directa, pueden fabricarse fácilmente en las líneas de producción existentes, establecidas originalmente para las LIB.

Prosumidores fotovoltaicos: más que sistemas estacionarios

Los prosumidores de energía solar fotovoltaica, actores que son a la vez productores y consumidores de electricidad, no requieren necesariamente baterías para contar con un suministro eléctrico seguro. Al conectarse a la red eléctrica, el excedente de electricidad del sistema fotovoltaico de techo puede inyectarse a la red y recibir un reembolso, y en momentos de bajo rendimiento o ausencia de energía solar fotovoltaica, se puede obtener electricidad de la red. Sin embargo, el aumento de los precios de la electricidad de la red y la disminución de los costos de las baterías pueden hacer que sea económicamente beneficioso equipar el sistema del prosumidor con una batería para optimizar el costo total del suministro de energía.

Un estudio inicial sobre la optimización de costos de los prosumidores de energía solar fotovoltaica ya ha demostrado que los sistemas fotovoltaicos con baterías para prosumidores son ampliamente beneficiosos en términos del costo total del suministro de energía. La clave es la electrificación del suministro de calor mediante resistencias o bombas de calor. La energía solar fotovoltaica de muy bajo costo no representa una limitación, aunque los sistemas fotovoltaicos residenciales en tejados producen aproximadamente un 18 % menos de electricidad que los sistemas instalados en suelo. La combinación con almacenamiento estacionario en baterías permite altos índices de cobertura de la demanda y de la calefacción a nivel global. La optimización de la capacidad de las baterías depende de la inclusión de vehículos eléctricos (VE). Se han observado grandes beneficios para los automóviles que pueden suministrar electricidad al sistema, lo que se conoce como «vehículo a hogar» (V2H).

En un estudio de seguimiento, se ha investigado si el almacenamiento estacional de hidrógeno es beneficioso para los sistemas fotovoltaicos prosumidores residenciales. Se ha constatado que la opción de almacenamiento a largo plazo desempeña solo un papel de nicho para los países nórdicos en un escenario fuera de la red, incluso con un potencial significativo de reducción de costos. Con el modelo de optimización actualizado, se ha demostrado que la mayoría de las regiones alcanzarán la paridad de red para 2035, y que más de la mitad de las regiones ya la habrán alcanzado en 2020. El modelo de optimización mejorado confirmó que las baterías desempeñan un papel importante. Para los casos conectados a la red, se ha determinado una relación máxima entre la capacidad de la batería y la potencia fotovoltaica de 1,6 a 1,8 kWhcap/kW. En los casos fuera de la red, esta relación aumenta a 3 a 4 kWhcap/kW.

El caso de la carga inteligente y la tecnología vehículo a red (V2G)

La flota de vehículos eléctricos está creciendo rápidamente en todo el mundo, acumulando ya una capacidad de batería a escala de teravatios-hora e impulsando la demanda de capacidad de energía solar fotovoltaica. El uso de esta capacidad de batería para el equilibrio del sistema eléctrico es una solución prometedora para los sistemas energéticos con una participación cada vez mayor de generación de electricidad renovable variable. La carga inteligente por sí sola brinda una flexibilidad valiosa al aumentar el consumo de electricidad durante los picos de generación de electricidad renovable y reducirlo durante los períodos de déficit de generación. El V2G va un paso más allá, convirtiendo a los vehículos eléctricos en almacenamiento distribuido de baterías sobre ruedas que pueden suministrar electricidad a la red durante los períodos de déficit.

Un estudio que analizó el impacto de la carga inteligente y el V2G confirmó beneficios sustanciales para el sistema energético. Estas tecnologías permiten que el sistema reduzca la capacidad instalada de almacenamiento en baterías a escala industrial en aproximadamente un 50 %, lo que reduce indirectamente el uso de materiales críticos en las baterías y también disminuye la necesidad de otras tecnologías de almacenamiento de energía. La implementación de estas dos tecnologías por sí sola podría reducir los costos totales anuales del sistema en aproximadamente un 4 %.

Sin embargo, el V2G no puede ser gratuito para el sistema: se debe incentivar a los propietarios de vehículos eléctricos para que participen y se les debe compensar por el desgaste de la batería. El papel y el impacto del V2G dependerán en gran medida del costo de este servicio para el sistema, pero incluso a un precio de 50 a 100 €/MWh, el V2G sigue aportando beneficios al sistema. El principal desafío para el V2G es la infraestructura pública necesaria para que los vehículos eléctricos puedan cargarse o inyectar energía de CA de alta calidad a la red siempre que estén estacionados, especialmente durante el pico de generación fotovoltaica del mediodía, cuando la capacidad de almacenamiento adicional es más valiosa.

Una perspectiva de flexibilidad

Se necesita flexibilidad para mitigar la variabilidad de las fuentes de energía renovables, derivada de su naturaleza dependiente de las condiciones climáticas. Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías han ganado gran atención como una tecnología líder potencial para esta función. Sus ventajas incluyen alta densidad energética, respuesta rápida, suministro confiable de energía, capacidad de descarga sostenida e independencia geográfica.

La reducción continua de los costos de fabricación de las baterías ha fortalecido aún más el papel del almacenamiento en baterías para facilitar la integración de la energía renovable, particularmente de la energía solar fotovoltaica. Una revisión exhaustiva de las opciones de flexibilidad en más de 1000 artículos de investigación reveló que, en comparación con otras tecnologías de almacenamiento —incluidos el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, el almacenamiento de energía térmica y el almacenamiento de hidrógeno eléctrico—, las tecnologías de baterías ofrecen actualmente una combinación atractiva de respuesta rápida, modularidad, eficiencia y madurez tecnológica. No obstante, no se debe considerar a las baterías y al almacenamiento hidroeléctrico por bombeo como sustitutos, sino como complementos para satisfacer la misma necesidad, tal como también se destacó en el caso de la India.

Un factor clave que sustenta el atractivo de la tecnología de baterías como opción de flexibilidad es la reducción sostenida de los costos de las baterías, a pesar de las fluctuaciones en los precios de las materias primas. Además, esta reducción de costos se ha observado tanto en aplicaciones móviles como estacionarias, lo que destaca la versatilidad y la creciente competitividad en términos de costos de las tecnologías de baterías en una amplia gama de aplicaciones.

Se espera que este avance tecnológico, impulsado por la innovación continua, desempeñe un papel significativo en la aceleración del despliegue de la energía solar fotovoltaica en todo el «cinturón solar» mundial y en otras regiones, como África, y en particular también para aplicaciones fuera de la red. El auge de la energía solar fotovoltaica no sería concebible sin el almacenamiento de electricidad y, en particular, el almacenamiento en baterías, como se muestra en un análisis reciente sobre los principales hitos de la energía solar fotovoltaica en escenarios de transición energética, lo que también condujo a una participación proyectada de la energía solar fotovoltaica en el suministro de energía primaria de aproximadamente el 61 % en estudios de transición energética, como promedio global, para mediados de siglo.

En general, se espera que la energía solar fotovoltaica desempeñe un papel importante también fuera del «Sunbelt». En redes más pequeñas y aisladas, como las de islas y los sistemas fuera de la red, el aumento de los costos del combustible diésel, combinado con la rápida disminución de los costos de las tecnologías de energía renovable, ha incrementado la competitividad de las fuentes de energía renovables y ha potenciado la relevancia de las soluciones de almacenamiento de energía basadas en baterías. Esta tendencia está impulsando la creciente adopción de sistemas de energía autónomos, descentralizados y fuera de la red, incluidas las configuraciones de energía fotovoltaica con baterías y de energía eólica con baterías.

Autores: Dominik Keiner, Siavash Khalili, Dmitrii Bogdanov y Christian Breyer

Este artículo forma parte de una columna mensual de la Universidad LUT.

La investigación en la Universidad LUT abarca diversos análisis relacionados con la energía eléctrica, la calefacción, el transporte, la industria, la desalinización y las opciones de emisiones negativas de CO₂. La investigación sobre «Power-to-X» es un tema central en la universidad, integrado en las áreas de enfoque de Recursos Planetarios, Negocios y Sociedad, Revolución Digital y Transición Energética. La energía solar desempeña un papel clave en todos los aspectos de la investigación.