¿Pueden las baterías de litio cambiar el status quo de la energía?

Las baterías de iones de litio no solo pueden desencadenar la revolución del automóvil eléctrico, sino que incluso pueden penetrar en nuestra vida cotidiana y revolucionar la situación energética actual, según una edición impresa de la última edición de la revista Economist.

El siguiente es el texto original:

Caminando unas tres cuartas partes a lo largo de una línea serpenteante en la planta de Nissan Sunderland, un trabajador instala constantemente tanques de combustible en numerosos chasis de pasajeros sueltos; la mayoría de los autos que fabrica la fábrica son SUV. Pero de vez en cuando la línea pasa por otro automóvil: un automóvil eléctrico llamado Leaf.

En este punto, la tarea del trabajador cambiará de instalar un tanque de combustible a instalar una batería. Sus movimientos combinan perfectamente con el brazo robótico a su lado, cambiando sin problemas entre autos de combustible y autos eléctricos.

Hasta hace poco, mucha gente pensaba que el cambio era increíble. Durante el siglo pasado, el motor de combustión interna ha sido el motor principal de automóviles y barcos. Le da una gran ventaja. Aunque Leaf afirma ser el automóvil eléctrico más vendido del mundo, la planta de Sunderland, la fábrica de automóviles más grande del Reino Unido, produjo solo 17,500 Leas el año pasado, en comparación con 310,000 autos gratuitos ese año. En marcado contraste, Xiaoke se encuentra en un estado rentable, mientras que Leaf está en pérdidas.

El año pasado, las ventas mundiales de vehículos eléctricos fueron de 750.000 unidades, menos del 1% del mercado de automóviles nuevos. Carlos Ghosn, el propietario de la Alianza Renault-Nissan, dijo en 2011 que solo las dos compañías duplicarán su producción de vehículos eléctricos para 2016. En retrospectiva, esta predicción es obviamente demasiado optimista, pero predicciones similares no son infrecuentes.

Sin embargo, aunque el momento del lanzamiento de los vehículos eléctricos es incierto, en general se acepta que esta tecnología pronto se convertirá en un gran negocio.

Los vehículos eléctricos civiles con un kilometraje cercano a un tanque lleno de gasolina (como el Modelo 3 de Tesla y el Chevrolet Bolt de General Motors) se han hecho públicos recientemente, y el Leaf revisado se lanzará en septiembre. La planta de Sunderland muestra que los camiones de combustible y los vehículos eléctricos ya pueden compartir una línea de producción, lo que simplifica la popularidad de dichos vehículos al expandir la capacidad.

Salto hacia adelante de la batería de litio

Muchos pronósticos sugieren que el costo de por vida de poseer y conducir un automóvil eléctrico se puede comparar con el de un automóvil de combustible en unos pocos años, lo que provocó que las ventas se dispararan en la década de 2020 y se generalizaran en la de 2030. Representó aproximadamente la mitad de las ventas mundiales de vehículos eléctricos el año pasado, con un estimado de 2 millones de híbridos eléctricos y enchufables en la carretera para 2020, hasta 7 millones en 10 años.

La consultora Bloomberg New Energy Finance señaló que las expectativas de las compañías petroleras para los vehículos eléctricos son mucho más altas de lo que eran hace unos años. La Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) ahora espera conducir 266 millones de vehículos eléctricos en las carreteras en 2040. Tanto el Reino Unido como Francia también dijeron que para entonces, los vehículos de combustible puro estarán prohibidos.

Esto se debe a la notable expansión del negocio de las baterías de litio y al consenso general de que la industria seguirá creciendo rápidamente en el futuro. Las primeras baterías de litio comenzaron a venderse hace 26 años y se usaron originalmente en la cámara CCD-TR1 de Sony. Ese producto era popular, y las baterías que usaba lo eran aún más, y gradualmente se aplicó a computadoras, teléfonos móviles, dispositivos inalámbricos, cigarrillos electrónicos y otros productos.

Cuantos más aparatos electrónicos utilice baterías, mayor será la demanda de baterías de litio. El año pasado, los productos de consumo aportaron alrededor de 45 GWh de baterías de litio. En términos sencillos, si todas las baterías se utilizan para alimentar el Reino Unido (el consumo de energía promedio en el país es de 34 GW), puede continuar durante aproximadamente 1 hora y 20 minutos.

En el mismo año, la producción de baterías de litio para vehículos eléctricos alcanzó la mitad de la electrónica: 25 GWh. Pero SamJaffe, una consultora de baterías de CairnERA, espera que la demanda de baterías automotrices supere a la electrónica de consumo el próximo año, lo que lo convierte en un punto de inflexión para toda la industria. La expansión masiva ha comenzado.

Panasonic de Japón, LG Chemical y Samsung SDI de Corea del Sur, y las eras BYD y Ningde de China, los cinco principales fabricantes de baterías de litio del mundo, están aumentando el gasto de capital y se espera que tripliquen la producción para 2020. Las fábricas construidas en Nevada con Panasonic ya pueden producir alrededor de 4 GWh por año. Tesla dijo que tendría una capacidad de 35GWh para 2018. Hace solo cuatro años, esta producción era suficiente para todos los productos de litio del mundo.

Las súper fábricas no se construyen solo para autos eléctricos. Después de escuchar sobre la regulación de energía en Australia del Sur, el fundador de Tesla, Elon Musk, le dijo al primer ministro del país en marzo que Tesla podría proporcionar suficiente capacidad de batería para fin de año para garantizar que la red nunca se despida.

En la súper fábrica, ahora están tratando de acumular 129MWh de capacidad para cumplir la promesa de su jefe. Cuando se instale en el otro lado del Pacífico, se convertirá en el más grande de su tipo en el mundo basado en redes eléctricas. Sin embargo, se implementarán muchos sistemas similares en el futuro.

A medida que los operadores de la red buscan formas de suavizar el suministro intermitente de energía solar y eólica, las baterías de litio a escala industrial se están volviendo más populares; en particular, unen muchas de las baterías utilizadas en los automóviles y ajustan sus componentes químicos y electrónicos. Para soportar una velocidad de carga y descarga más rápida.

Los consumidores que quieran ser independientes de la red pueden comprar baterías más pequeñas o almacenar su propia electricidad para venderla a la red durante el día o la noche, cuando el precio de la electricidad es más alto. Las baterías se han convertido en una parte integral de una visión de futuro verdaderamente baja en emisiones.

La capacidad de producción global se dispara

Los principios básicos de las baterías de litio son fáciles de entender. Cuando la batería se carga a un potencial, los iones de litio se introducen profundamente en el electrodo de grafito. Durante el uso, estos iones de litio regresan al electrodo más complejo, el cátodo, hecho de un compuesto de litio y otros metales a través del electrolito líquido.

Por otro lado, el modelo operativo básico del negocio de las baterías es muy opaco, principalmente porque los proveedores prestan demasiada atención al secretismo y la imprevisible situación económica de los gigantes asiáticos que son líderes del mercado.

La situación de los últimos años muestra que todos los grandes fabricantes están aumentando la capacidad de producción, en parte porque esto puede reducir los costos unitarios. Como componente básico de la batería, las baterías de litio cuestan más de $ 1,000 por kWh en 2010 y cayeron a entre $ 130 y $ 200 el año pasado. GM dijo que cuando la compañía compró un paquete de baterías de 60kWh para Bolt, el precio pagado a LG Chem fue de $ 145 por kWh (el costo del paquete de baterías era más alto que el costo de la batería debido a mano de obra, materiales y componentes electrónicos).

Tesla dijo que el precio de la batería del Model 3 es más barato. El bajo costo no es la única mejora. Una gran cantidad de inversión en I + D ha logrado una mayor densidad de energía (mayor capacidad por kilogramo) y una mayor durabilidad (mayores ciclos de carga y descarga). La garantía de la batería de Bolt tiene una duración de 8 años.

Pero de esta manera, los recortes de precios no solo pueden producir baterías más baratas y de mejor calidad, sino que también pueden provocar un exceso de capacidad grave. CairnERA estimó el año pasado que la capacidad de la batería de litio es un tercio más alta que la demanda. Tanto la agencia como BNEF dijeron que por cada batería de automóvil producida, los fabricantes de baterías pierden dinero o solo pueden obtener una pequeña ganancia.

A pesar de la sobreoferta, todos planean continuar expandiéndose, en parte para reducir aún más los costos. Jeff explicó que este tipo de pensamiento pertenece al "modelo tradicional de gigante asiático": a cambio de márgenes de beneficio a cambio de cuota de mercado.

Esta parece ser una buena estrategia, ya que el futuro de los vehículos eléctricos es brillante. Pero ahora parece un poco nervioso. Aunque Jeff cree que el crecimiento de la demanda de vehículos eléctricos e instalaciones de almacenamiento puede respaldar esta rápida expansión, ahora también cree que "esto es como una fiebre del oro sin oro".

Pero contiene algunos otros metales valiosos. Para producir más baterías, necesita más litio, así como una variedad de otros metales, incluido el cobalto que se usa para hacer cátodos. Estos metales representan aproximadamente el 60% del costo de las baterías. Para los fabricantes de baterías, garantizar el suministro continuo de estos materiales es tan importante como dominar la tecnología electroquímica.

Desde 2015, Simon Moores, de la consultora BenchmarkMineralIntelligence, ha dicho que los precios del litio se han triplicado, los precios del cobalto se han duplicado y los precios de los productos químicos que contienen níquel utilizados en cátodos también han aumentado.

Morse dijo que no es difícil encontrar una nueva fuente de litio. Las reservas mundiales de litio son de al menos 210 millones de toneladas y la producción anual actual es de solo 180.000 toneladas. La nueva mina de litio se está extrayendo gradualmente. SQM de Chile, el mayor productor de litio del mundo, anunció en julio que invertiría 110 millones de dólares en Australia Occidental para formar una empresa conjunta de litio.

La situación con el cobalto es aún más complicada. No solo los suministros son escasos, sino que muchos son de la República Democrática del Congo. Hay tanto problemas éticos en esta región (la necesidad de depender del trabajo infantil) como problemas comerciales (nadie quiere depender de los señores de la guerra para obtener recursos importantes). LG Chem ha dicho que la compañía está tratando de reducir la cantidad de cobalto que se usa en la batería mientras continúa mejorando el rendimiento. En el futuro, reciclar este metal de las baterías usadas aumentará la sostenibilidad de toda la industria.

Una de las razones por las que los fabricantes todavía están ampliando con confianza su capacidad de producción frente al aumento de los precios de las materias primas es que las baterías de litio actualmente tienen pocos rivales. A menudo hay otras tecnologías de baterías que afirman tener una mayor ventaja en principio, pero ninguna tecnología puede cambiar de una idea simple a una tecnología dominante, como una batería de litio, a lo largo de décadas de desarrollo. Todo el proceso ha generado una serie de tecnologías complementarias, incluida la fabricación fina, la selección de electrolitos y la nanotecnología de cátodos metálicos aún más compleja.

Kainan · saxin, director de CaMX Power, un proveedor de materiales de cátodos en Estados Unidos, dijo que el costo y el peso de las baterías de litio, la cantidad de ciclos repetidos, la durabilidad y la seguridad se logran mediante innumerables ajustes, no de la noche a la mañana.

Compara la química de las baterías con el proceso de descubrimiento de fármacos en la industria farmacéutica. "Es realmente difícil. Lo que sea que quieras hacer en una escala, debes aceptar los efectos secundarios", dijo. Esto es difícil de imitar para un usurpador potencial. En el futuro previsible, la tecnología progresiva de baterías de litio, posiblemente utilizando nuevos electrodos de estado sólido, continuará liderando y beneficiándose de la continua proliferación de aplicaciones que admite.

Hasta ahora, la más común es la batería cilíndrica 18650. Mide unos 65 mm de largo y 18 mm de diámetro y tiene una densidad de energía de unos 250 Wh por kilogramo. (A modo de comparación, la densidad de energía de la gasolina es aproximadamente 50 veces mayor, pero la batería puede almacenar cientos de veces más energía).

Tesla y Panasonic están desarrollando actualmente 2170 núcleos, que son un poco más largos y anchos que los 1,8650. Sería la batería más densa del mercado, dijo Musk. La compañía dijo que el costo de conducir el Model 3 entregado a fines de julio era la mitad del de cualquier modelo anterior. En el lanzamiento del automóvil, el anuncio de Musk de que podría producir 500,000 vehículos el próximo año fue impresionante. "Bienvenido al infierno de la producción", le dijo al ensamblador.

Tesla anunció el 7 de agosto que emitiría bonos por valor de $ 1.5 mil millones para respaldar el plan de expansión de la compañía, dando al mercado de valores un respiro muy necesario, a menudo financiado por el mercado de valores, y el precio de sus acciones ha aumentado en dos tercios. durante el año pasado.

La compañía ha dicho que ha recibido 455.000 pedidos de preventa para el Model3, que generarán suficiente efectivo para apuntalar sus finanzas antes de fin de año. Si todo sale según lo planeado, Musk espera que la fábrica Super se convierta en el edificio más grande del mundo, con una capacidad de 100 GWh al año. La empresa también podría construir superplantas en otros lugares, y la próxima podría estar en China.

Todo esto sugiere que los coches eléctricos prosperarán. No hay duda de que estos productos son cada vez mejores y más baratos. Pero hay otros factores que limitan su practicidad, sobre todo la carga. En Gran Bretaña, el 43% de los propietarios de automóviles no tienen estacionamiento en la carretera, por lo que no pueden recargar sus automóviles en casa. Usando un cargador de 11kW para cargar una batería de 90kWh durante 6 horas, es posible quemar el fusible.

Las estaciones de carga rápida son una solución, una especie de gasolinera. Algunas compañías automotrices han comenzado a construir tales instalaciones para aliviar la característica de "ansiedad por el kilometraje" de los propietarios de automóviles eléctricos. Pero queda por ver si la velocidad a la que se expanden tales instalaciones respaldará las ambiciones de la industria.

Es la incertidumbre sobre la tasa de crecimiento del uso de vehículos eléctricos lo que hace que el almacenamiento sea una opción atractiva para los fabricantes de baterías. La Compañía de Gas y Electricidad de San Diego (SDGE) recientemente construyó una instalación de este tipo en un estacionamiento en las afueras de San Diego que no es tan brillante como el lanzamiento de un automóvil nuevo. En realidad, es una batería de automóvil disfrazada de parque de casas rodantes con 384.000 núcleos. Este es probablemente el Transformers más aburrido de todos los tiempos.

Pero SDGECOO Caroline Winn dijo que lo ordinario es su encanto. El propósito de esta instalación es proporcionar electricidad con el uso máximo de electricidad. El edificio modular hace que esta instalación de 120 MWh, una instalación ligeramente más pequeña que el compromiso de Tesla de construir en Australia del Sur, tomó solo ocho meses desde la construcción hasta la puesta en servicio. Su ruido es muy pequeño y casi inaudible.

Si se realiza el mismo trabajo mediante turbinas de gas, se puede reducir el costo, pero se necesitan varios años y es imposible obtener el consentimiento de los vecinos. La batería es "mucho más hermosa que una turbina de gas", dice Wynn.

Última fuente de energía.

Para Tesla y otros fabricantes de baterías, el almacenamiento en red es la parte más atractiva del mercado de la electricidad, aprovechando lo que de otro modo podría ser un exceso de capacidad. Además, los sistemas de almacenamiento de uso propio también pueden aumentar la demanda de baterías. Tesla ingresó al mercado a través de baterías domésticas Powerwall, con la esperanza de complementar los paneles solares de la compañía.

Nissan también está explorando su propio mercado de almacenamiento. La compañía trabajó con Eaton, una compañía estadounidense de administración de energía, para proporcionar baterías Leaf usadas a empresas y fábricas como fuentes de energía de respaldo para reemplazar los generadores diesel. Su primer cliente importante fue el estadio de Ámsterdam, sede del Ajax Football Club.

Es posible que estos sistemas no sean muy competitivos en términos de precio, pero el gobierno les proporcionará varios subsidios. En mayo, los reguladores del estado de Nueva York le dieron a ConEdison, una empresa de servicios públicos, el derecho a instalar baterías en Brooklyn y Queens para alimentar la red.

La red eléctrica de Nueva York se ha deteriorado y se remonta a la era de George Westinghouse y Nikola Tesla hace más de un siglo. Actualmente se están realizando esfuerzos para absorber más fuentes de energía renovable como fuente de electricidad, y las instalaciones de almacenamiento de energía ofrecen nuevas formas de hacer frente a los picos de demanda de electricidad. El funcionario de energía del estado, Jason Doling, dijo que el proyecto era ideal para la instalación en edificios de gran altura, que podrían alimentar el ascensor durante las horas de la mañana y la noche.

Pero a las autoridades de bomberos de Nueva York todavía les preocupa que las baterías de litio de los edificios puedan provocar incendios. El Samsung Galaxy Note 7 "Bomb Door" del año pasado hizo que el mundo se diera cuenta de que si la batería de litio no está diseñada correctamente, se quemará debido a un cortocircuito. Pero en general, los nuevos materiales y revestimientos cerámicos utilizados en los electrodos han hecho que las baterías de los automóviles sean muy seguras.

Además de las preocupaciones de seguridad, las empresas que instalan sus propios sistemas de almacenamiento de energía dicen que se ven obstaculizadas por problemas regulatorios y de seguros obsoletos. AnilSrivastava, director del fabricante de baterías suizo Leclanché, dijo que esto limitaba su capacidad para obtener fondos. También necesitan encontrar formas de hacer que el almacenamiento de energía valga la pena.

A veces, esta es casi la única solución regulatoria (como en San Diego): la junta de servicios públicos de California estaba preocupada por un corte de energía en Los Ángeles después de la fuga de 2015 del tanque Aliso Canon. Cuando el precio es el objetivo principal, la batería busca más de un servicio para brindar al usuario. Este programa se llama "superposición de ingresos". Por ejemplo, un sistema no solo puede alimentar la red para la regulación de frecuencia a corto plazo, sino que también puede servir como respuesta a la demanda máxima.

Puede parecer complicado, pero encontrar más de una forma de vender lo mismo es una tendencia inevitable en la industria de las baterías, al igual que personaliza diferentes productos para diferentes mercados y diferentes tamaños de uso. Si bien el auge de hoy puede parecer abrumador, a largo plazo, la industria parece ir para bien.

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