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El coche eléctrico como reemplazo y sus límites

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Artículos Traemos a las páginas de Crisis Energética la traducción de un artículo del Boletín de Científicos Atómicos titulado "Los límites de la tecnología de almacenamiento de energía". Sus autores son Kurt Zenz House, graduado en física por el Claremont College y doctor en geofísica por la Universidad de Harvard, y Alex Johnson, un estudiante de postdoctorado de la Universidad de Harvard. Los autores analizan desde un punto de vista termodinámico muchas de las posibilidades de almacenamiento energético, desde el punto de vista de los máximos teóricos que un determinado sistema de almacenamiento puede alcanzar.

Esto es especialmente interesante, porque las más de las veces, los equipos de investigación de estos sistemas (baterías, células de combustible, volantes de inercia) lanzan proclamas sobre éxitos y progresos que tienen más que ver con los deseos de mejorar la posición de las empresas para las que trabajan en los mercados de valores y de campañas de marketing, que con la realidad de los límites físicos, que son los que en esta página interesan.

Al final del artículo, que no se toma como dogma, sino como referencia por los datos termodinámicos que aporta, (salvo mejor fin, porque sale de una fuente interesada en promocionar la energía nuclear, posiblemente frente a las renovables y los sistemas de acumulación que van a necesitar éstas energías), se añaden un detallado análisis complementario del editor Pedro Prieto (fichero PDF, 1,2MB). Se invita a los lectores a aportar comentarios y a realizar una lectura crítica de ambos textos.

También se incluye una referencia al artículo aparecido en el diario español El País, titulado "Evo Morales busca inversores en Rusia y Francia para explotar el filón del litio", que aborda y pone si cabe aún más de actualidad este tema del cambio automotriz de combustión interna a eléctrico y está en línea con los postulados de los neoecologístas que pretenden salir de la crisis financiera y económica con más actividad, pero asegurando que es para ahorrar en emisiones de CO2 y para reducir el consumo energético y la dependencia de los combustibles fósiles, sin haber hecho las cuentas a fondo. Este artículo somete a la consideración de sus lectores los datos en toda su posible extensión para que puedan ser juzgados, en contraposición a las declaraciones generalistas y vacuas de muchos dirigentes políticos que esconden sus desnudeces programáticas. Agradeceremos comentarios y sugerencias y se admiten errores y omisiones, pero los cálculos se han hecho con todo el rigor posible de los limitados medios con que contamos y evidentemente se podrán corregir y perfeccionar sobre la marcha. Los límites de la tecnología de almacenamiento energético

Por Kurt Zenz House | 20 January 2009

Nota del Editor: el siguiente artículo fue escrito junto a Alex Johnson, estudiante de postdoctorado en la Universidad de Harvard.

En los últimos años –hasta la crisis financiera- los inversores se han decantado hacia la energía renovable. Su esperanza es que la energía solar pueda ser utilizada directamente y a través de intermediarios, tales como el viento o la biosfera, para impulsar la economía global a perpetuidad. Esta esperanza es comprensible, puesto que la energía renovable tiene beneficios que van desde el medio ambiente a la geopolítica. Sin embargo, se debería tener cuidado y ser riguroso a la hora de cuantificar le reto de convertir a la sociedad a las energías renovables.

El reto más importante para la energía renovable es la competencia con los combustibles fósiles, que han sido y siguen siendo la fuente primaria de energía predominante de los últimos 150 años. El carbón fósil ha dominado el mercado energético por muchas razones, de las que sus densidades energéticas por peso y volumen no son la menor de ellas. A pesar de ello, 1 kilo de petróleo contiene cerca de 50 Megajulios (50 Mj) de energía química potencial (1 kWh = 3,6 a 4 Mj, n. del t.), suficiente para elevar una tonelada métrica a una altura de unos 5.000 metros. Además, el petróleo, se encuentra en estado líquido en condiciones ambientales, lo que facilita su almacenaje, transporte y conversión.

Las densidades energéticas del gas natural y del carbón, están alrededor de los 55 y los 20-35 Mj por Kg y respectivamente y son similares a las del petróleo. El carbón fósil contiene energía química, porque el carbón y el hidrógeno que fija en forma condensada reaccionan fuertemente con el oxígeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua. Además, los procesos geológicos han concentrado grandes cantidades de hidrocarburos fósiles en áreas geográficas relativamente pequeñas como las minas de carbón o los yacimientos petrolíferos. Los biocombustibles, como el etanol y el biodiesel pueden alcanzar volúmenes y densidades energéticas por unidad de masa iguales a las de los hidrocarburos fósiles, pero dado que tiene que ser recolectadas, sus densidades energéticas por área son sustancialmente menores.

La energía renovable, al contrario que con los hidrocarburos fósiles, se tiene que obtener de forma dinámica del entorno. Por tanto, no será tan útil como los hidrocarburos fósiles, hasta que se puedan almacenar y transportar con la misma facilidad.

Muchas compañías y científicos están intentando mejorar constantemente las tecnologías de almacenamiento energético, y creemos que se harán progresos importantes. Sin embargo, podemos utilizar la termodinámica para calcular los límites superiores de lo que es posible para las diversas tecnologías. Y cuando hacemos esto, vemos que muchas tecnologías jamás llegarán a competir con los hidrocarburos en cuanto a intensidad energética.

Comencemos con las baterías. Una batería de ácido-plomo puede almacenar hoy alrededor de 0,1 Mj por Kg, o unas 500 veces menos que el petróleo. Por supuesto esas baterías pueden mejorar, pero cualquier batería basada en la química de la oxidación-plomo/sulfúrica, tiene una limitación termodinámica de menos de 0,7 Mj por Kg.

Debido a los límites teóricos de las baterías de ácido-plomo, se ha trabajado intensamente en otras variantes, como las de las baterías de litio-ión, que implican generalmente la oxidación y reducción de carbón y un metal de transición como el cobalto. Estas baterías ya han mejorado la densidad energética respecto de las de ácido-plomo en un factor de alrededor de seis (6), hasta llegar a los 0,5 Mj por Kg, lo que es una gran mejora. Pero tal y como están diseñadas en la actualidad, tienen un límite de densidad energética teórica de alrededor de 2 Mj por Kg. Y si la investigación sobre la sustitución de silicio por el carbón en los ánodos se termina llevando a la práctica, entonces el límite teórico de las baterías de litio-ión puede alcanzar los 3 Mj por Kg. Por tanto, el máximo potencial teórico de las baterías de litio-ión, que incluso todavía no se ha llegado a demostrar representa apenas …¡el 6% del potencial del petróleo!

¿Y qué hay de algunas baterías muy avanzadas de litio que utilizan elementos más ligeros que el cobalto y el carbón? Sin considerar el aspecto práctico de la construcción de una batería de este tipo, podemos ver en la tabla periódica de elementos y seleccionar los elementos más ligeros con múltiples estados de oxidación, que pueden formar compuestos. Este experimento utiliza compuestos de hidrógeno-escandio. Suponiendo que pudiésemos hacer una batería de este tipo, su límite teórico sería de alrededor de 5 Mj por Kg.

Por tanto, las mejores baterías consiguen, en la actualidad, un 10 por ciento de la banda física superior y un 25% de la banda demostrada. Y dados los demás materiales exigidos, tales como electrolitos, separadores, colectores actuales y el empaquetado, es bastante improbable que se pueda mejorar la densidad energética más allá de un factor de 2 en unos 20 años. Esto significa que los hidrocarburos –incluyendo tanto los hidrocarburos fósiles como los biocombustibles- tienen todavía un factor 10 veces más alto que el límite físico superior y son unas 25 veces mejores que lo mejor que puedan llegar a ser las baterías de litio.

¿Y qué hay de almacenar energía en campos eléctricos (por ejemplo, condensadores)? Mientras los mejores condensadores actuales almacenan 20 veces menos energía que una masa equivalente de baterías de litio-ión, una empresa, EEstor, dice que dispone de un condensador capaz de (almacenar) 1 Mj por Kg. Sea válida o no esta afirmación, representa un factor de 2 sobre el límite físico basado en la banda del material dieléctrico. Los dispositivos electromagnéticos superconductores de alta temperatura, podrían alcanzar, en teoría, unos 4 Mj por litro, similar a nuestras baterías teóricas, de una cierta razonable densidad; los sistemas existentes de almacenamiento magnético alcanzan el límite superior alrededor de los 0,01 Mj por Kg., aproximadamente como los condensadores actuales. Aquí, de nuevo, tanto la tecnología existente como su potencial máximo final están muy lejos de llegar a la densidad energética de los hidrocarburos combustibles habituales.

Esto nos lleva a la opción de almacenar energía potencial en forma química, como el combustible que se puede quemar con el oxígeno atmosférico. Lo hacemos en la actualidad, pero de dos formas diferentes: generamos este combustible de forma renovable y lo convertimos para trabajar de forma más eficiente que con los motores de combustión interna, sea con células de combustible o con baterías de aire. Las baterías de zinc-aire, que exigen la oxidación del metal de zinc a hidróxido de zinc, podría alcanzar 1,3 Mj por Kg. Pero si tomamos el zinc puro y lo convertimos enteramente en óxido de zinc, entonces podríamos superar a las mejores baterías que imaginarse pueda, con unos 5,3 Mj. por Kg. El Zinc ha demostrado ser lo bastante interesante como para que varios autores (no en nuestro caso) hayan imaginado una “economía del zinc”.

Para ser verdaderamente ambiciosos, podemos imaginar el almacenaje de energía en aluminio o litio puro. Estos dos elementos altamente electropositivos contienen una densidad energética teórica –cuando se oxidan con el aire- de 32 a 42 Mj. por Kg. Por lo menos ahora los límites teóricos podrían encontrarse entre el 60 y el 80 por ciento del de los hidrocarburos. Ahora solo tenemos que imaginar como extraer la energía de esa oxidación.

Un camino más prometedor es el uso de las células de combustible con combustibles líquidos y gaseosos. Las dos elecciones obvias para estos combustibles son el hidrógeno y los hidrocarburos; en términos de energía por unidad de masa, el hidrógeno supera al petróleo y al gas natural por un factor de 3. Desgraciadamente, el hidrógeno es un gas a temperatura ambiente y su densidad por unidad de volumen es horrible(mente baja), a menos que se comprima a varios cientos de atmósferas de presión. A 700 bares, por ejemplo, el hidrógeno tiene una densidad energética por volumen de unos 6 Mj por litro, mientras que la gasolina a 1 bar (de presión) contiene unos 34 Mj. por litro. Tanto el hidrógeno como los hidrocarburos se pueden producir de fuentes renovables, aunque hacerlo de forma económica y a escala global sigue siendo un reto.

Hay una forma más de almacenamiento de energía que en teoría supera a los hidrocarburos. Se han hecho demostraciones con volantes de inercia, con una densidad energética comparable a las baterías de litio-ión; un dispositivo teórico, compuesto solamente de nanotubos toroidales de carbón podría alcanzar los 100 Mj. por Kg. Pero la fabricación y los problemas de seguridad inherentes a dicho dispositivo, hacen que sea muy improbable que no siquiera una pequeña fracción de éste potencial llegue a ver jamás la luz.

La conclusión es que la naturaleza nos ha dotado de hidrocarburos en forma de fósiles y biomasa y que su relación masa-energía y densidades energía por volumen son superiores a los límites termodinámicos de prácticamente cualquier alternativa concebible. Por tanto, es bastante probable que de una forma u otra, los hidrocarburos sean el medio de almacenamiento de energía primaria de la humanidad durante bastante tiempo.

Ver el análisis complementario del editor Pedro Prieto (fichero PDF, 1,2MB)