¿Pasa el futuro del medio ambiente por el litio?

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El litio (Li) es el metal y elemento sólido más ligero. Este elemento, apenas conocido hace unos años, se ha convertido en un material del que cada vez se habla más por su papel fundamental en el creciente mercado de las baterías eléctricas.

¿En qué se usa y en qué se usará?
Aunque este material tenga diversos usos, como se puede apreciar en el gráfico, el que más consumo supone es el que lo ha hecho tan conocido en los últimos años; el de las baterías. Y es que esta fama no solo se debe a que las baterías sean un elemento muy cercano, sino sobre todo al hecho de que éstas juegan un papel cada vez más importante en nuestro día a día, en parte por el aumento del uso de dispositivos electrónicos (con la previsible aparición de nuevas tendencias, como la que empieza con los Smart-watchs, o las gafas electrónicas), pero sobre todo por el aumento del consumo del sector energético y del del transporte, siempre tan intrínsecamente unidos.

Reparto del consumo de litio en 2015 [1]
Reparto del consumo de litio en 2015 [1]

El aumento en el primer sector, el energético, vendrá propiciado por la cada vez mayor penetración en el sector de las energías libres de emisiones que, al margen de la hidráulica y la nuclear, se caracterizan por tener poca seguridad en el suministro. Actualmente, estos valles de producción (como el recientemente acontecido por falta de viento) se suplen con el encendido de centrales térmicas de gas o carbón, con el consiguiente efecto en el medio ambiente y en la factura de la luz. Pero a medida que estos valles van en aumento, decrece el precio de las baterías, sobre todo las de ión-litio, lo que lleva a plantear la opción de un sistema eléctrico integrado por baterías capaces de amortiguar los valles y absorber los picos de producción. Este sistema, aunque aún minoritario -sobre todo en lo que a grandes centros de almacenamiento se refiere-, ya cuenta con un simulacro en la integración a pequeña escala: las Tesla Powerwall [2], que incluso prometen ahorrar dinero al consumidor. Eso sí, siempre que no vivas en España, ya que el llamado “impuesto al sol” impide la rentabilización de aparatos como este, a pesar de su innegable contribución a mitigar el cambio climático y a racionalizar nuestro sistema eléctrico.

En cuanto al segundo sector, es el más evidente para todos: los coches eléctricos requerirán, inevitablemente, de baterías eficientes y potentes, papel que por el momento suplen las baterías de ión-litio, y parece que no hay otra tecnología dispuesta a batirle el oro, por ahora.

Tesla Powerwall

¿Qué futuro tiene la tecnología?
Por lo dicho hasta ahora, parece claro que el mercado de baterías tiene un gran futuro por delante, pero nadie nos garantiza que las baterías de litio-ión vayan a ser las protagonistas de este cambio, al menos a largo plazo. En efecto, como ha sucedido con las viejas baterías de níquel cadmio (NiCd) y níquel e hidruro metálico (NiMH), hegemónicas hace unos lustros pero cada vez más relegadas, nada nos garantiza que no se vaya a repetir esta situación.

Esta tecnología cuenta con varias ventajas, que la han llevado a su actual posición de dominio, siendo la principal la alta densidad energética en comparación con sus competidoras directas, lo que le permite ganar en autonomía por unidad de volumen y de masa de batería. Por otra parte, puede suministrar un voltaje elevado, que se mantiene constante a lo largo de la descarga. Además, no cuenta con efecto memoria en las cargas, por lo que se pueden realizar de forma incompleta sin afectar su longevidad (esto es muy útil siempre que se plantean coches capaces de cargarse en “gasolineras”, al no requerir que las paradas se adapten al tiempo total de carga), y pueden dejarse conectadas al cargador una vez completada la carga dada su reducida autodescarga en reposo.

Teléfonos móviles, ordenadores, smart-watchs… Su presencia en las baterías de coches eléctricos o de almacenamiento de energía hacen de él un agente imprescindible contra el cambio climático.

Pero aún siendo las mejores del mercado, estas baterías siguen teniendo importantes inconvenientes, algunos de ellos con posibilidad de mejora y otros no. Éstas han sido por ejemplo históricamente caras, y aunque en los últimos años su precio ha descendido drásticamente, las previsiones estiman que está cerca de estabilizarse. Aún así, queda en esa estabilización que las baterías de más calidad bajen a precios mucho más asequibles, con una estabilización en torno a los 130 €/kWh (aproximadamente la mitad de lo que le cuestan a Tesla en la actualidad, que se dice pronto). [3]

Evolución del precio de las baterías y previsiones. [4]

Por otro lado, según Elon Musk [5], el pico de energía almacenada en las baterías de los coches ya se ha alcanzado -con unos 100 kWh-, y aunque nos deja con una autonomía más que respetable (entorno a 500 km, requiriendo solo 30 minutos para una carga de 270 km), esto implica unos precios nada competitivos (superiores a 10 000 € por coche).

Por otro lado, si bien el ión-litio está a la cabeza de las baterías en lo que a densidad energética se refiere, sigue estando en desventaja de cara a la gasolina. Efectivamente, el surgimiento de los coches eléctricos, vista esta desventaja, no se explica sino desde la creciente concienciación social de la problemática medioambiental (y las consiguientes restricciones e impuestos que llevan de la mano). Y si bien para el nivel de aumento actual esto parece suficiente, no se podrá lograr una expansión total y efectiva a una velocidad razonable si no se consigue que las baterías se equiparen a las fuentes fósiles; es lo que se llama battery bottleneck.

Las baterías de litio son cada vez más baratas, y tienen mayor densidad energética que otras baterías.

Para poner números a esto (que a fin de cuentas para eso sirve que esto lo escribamos futuros ingenieros para futuros ingenieros), la densidad energética de la gasolina es de 13 kWh/kg, aunque tras tener en cuenta rendimientos del ciclo y de las componentes del motor, se traduce finalmente a unos 1,7 kWh/kg de energía suministrada a las ruedas. Por su parte, las baterías comerciales actuales de ión-litio alcanzan como mucho los 200 Wh/kg (siendo el pico experimental “solo” de unos 500 Wh/kg). Afortunadamente, de éstos prácticamente todos se transmiten a las ruedas debido a la alta eficiencia de los motores eléctricos la mayor simplicidad de los sistemas de tracción. Y menos mal, porque aún con todo, seguimos teniendo valores en torno a 10 veces inferiores a los de los coches tradicionales, es decir, si queremos una autonomía equivalente a 60 litros de gasolina (unos 40 kg) se necesita una batería de 400 kg, que es mucho decir, porque al final el peso extra acaba reduciendo notablemente la autonomía, y explica el enorme coste de estas.

El ión-litio sigue sin llegar a compararse con costes y características de la gasolina…y no podrá hacerlo nunca.

Vistos estos inconvenientes, y aunque aún son muchos los que apuestan fuerte por el ión litio, no son pocos los que apuestan por otras tecnologías (a pesar de estar aún, como quien dice, en pañales). Es más, muchos actores importantes del sector, entre los que destaca IBM, parecen pensar que el futuro no pasa por ellas [6]. ¿Entonces, el litio dejará de tener su rol de liderazgo? Cada vez queda más claro que el ión-litio no es más que la etapa intermedia, y la mayoría de investigaciones optan por modelos de metal-aire, destacando el zinc-aire, sodio-aire y litio-aire. Pero entre estas, las de litio-aire parecen un serio candidato a ganar la mano a las otras dos, al menos en lo que densidad energética se refiere como vemos en el siguiente gráfico, en el que pulveriza al resto (para más información sobre los avances en el campo de las baterías, lee nuestro artículo de la revista nº 4 [8]).

Densidad energética de las distintas tecnologías de baterías [9]

Por lo tanto, como conclusión, el litio no solo es una fuente necesaria en la actualidad para llevar a cabo nuestra transición energética y de transportes, sino que parece que tendrá un rol importante en un futuro, al menos si nos atenemos exclusivamente a criterios económicos y tecnológicos. ¿Pero este futuro está garantizado desde el punto de vista de las reservas mundiales? En una futura entrega analizaremos este y otros aspectos adicionales de este material llamado a condicionar nuestro entorno.

[2] Tesla https://www.tesla.com/es_ES/powerwall
[3] Hipertextual https://hipertextual.com/2016/05/precio-de-las-baterias-para-coches-electricos (2016)
[4] Nykvist and Nilsson (2015)
[5] Forococheseléctricos https://goo.gl/uYIKna (2016)
[6] IBM Research http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group.php?id=3203 (2009)
[7] Motorpasión https://www.motorpasionfuturo.com/p/86799 (2013)
[8] Avances en el campo de las baterías http://creii.es/diario-industrial-4
[9] Wang, J., Li, Y., Sun, X.: Challenges and opportunities of nanostructured materials for aprotic rechargeable lithium–air batteries. Nano Energy 2, 443–467 (2013)

Asier Jauregui
Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

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