¿Pueden las baterías de gravedad resolver nuestros problemas de almacenamiento de energía?

Bruno I. Scollo

Gravitricity, una nueva empresa de ingeniería verde con sede en Edimburgo, está trabajando para que esto se haga realidad. En abril del año pasado, el grupo probó con éxito su primer prototipo de batería de gravedad: una torre de acero de 15 m (49 pies) que suspende un peso de hierro de 50 toneladas. Poco a poco, los motores eléctricos elevaron la enorme caja de metal hacia el cielo antes de soltarla gradualmente de regreso a la tierra, alimentando una serie de generadores eléctricos con la resistencia hacia abajo. 

La instalación del demostrador fue de "pequeña escala", dice Jill Macpherson, ingeniera senior de pruebas y simulación de Gravitricity, pero aún así produjo 250 kW de potencia instantánea, suficiente para sustentar brevemente alrededor de 750 hogares. Igualmente alentador fue lo que el equipo aprendió sobre la longevidad potencial de su sistema.

"Hemos demostrado que podemos controlar el sistema para prolongar la vida útil de determinados componentes mecánicos, como el cable de elevación", afirma Macpherson. "El sistema también está diseñado para que los componentes individuales puedan reemplazarse fácilmente en lugar de reemplazar todo el sistema durante toda su vida útil. Por lo tanto, existe un margen real para tener una vida operativa de décadas".

Mientras que el prototipo de Gravitricity apuntaba hacia arriba, el foco de la empresa ahora está bajo tierra. Los ingenieros han pasado el último año explorando minas de carbón desmanteladas en Gran Bretaña, Europa del Este, Sudáfrica y Chile. El razonamiento, explica el director general Charlie Blair, es bastante sencillo: "¿Por qué construir torres cuando podemos utilizar la geología de la Tierra para sostener nuestro peso?"

Parece una buena solución. El globo está plagado de pozos de minas en desuso lo suficientemente profundos como para albergar una instalación de Gravitricidad de tamaño real, que se extenderá al menos 300 m (984 pies), y posiblemente mucho más. También hay voluntad política para que esto suceda, dice Blair, y los responsables políticos están deseosos de aprovechar el entusiasmo público por la llamada " transición justa ": la noción de una nueva economía baja en carbono que asegure los medios de vida de los trabajadores de los combustibles fósiles, sus familias y comunidades. Y así, con suficiente financiación, un prototipo subterráneo (probablemente ubicado en la República Checa) debería estar funcionando para 2024. Sin embargo, primero deben superarse una serie de desafíos.

"Necesitamos observar de cerca las estructuras civiles existentes (el revestimiento del pozo, los alrededores del pozo) y asegurarnos de que estén absolutamente en buen estado y sean capaces de soportar varios miles de toneladas", explica Blair. "También existen posibles problemas de seguridad en torno al gas metano y las minas inundadas".

Con eso en mente, Gravitricity también está considerando hundir sus propios ejes especialmente diseñados: un esfuerzo que costará más al principio, pero promete una uniformidad mucho mayor en el futuro.

Sin embargo, no todos los innovadores ven las ventajas de una solución subterránea. En un valle del sur de Suiza, el sorprendente prototipo de acero y hormigón de Energy Vault, otro líder en el sector de las baterías de gravedad, tiene más de 20 pisos de altura. Cuando el suministro de energía verde supera la demanda, una de varias grúas controladas por IA levanta un par de bloques de 30 toneladas. Cuando la demanda supera la oferta, retroceden y generan suficiente energía para miles de hogares. 

Con su tecnología probada y comprobada, y habiendo recibido una inversión de unos 402 millones de dólares (325 millones de libras esterlinas), Energy Vault está lista para iniciar un lanzamiento comercial. Para ello, la empresa ha diseñado algo un poco más atractivo desde el punto de vista estético que el prototipo angular suizo: un edificio modular denominado "EVx" que almacena miles de pesas en un sistema de carro.

"Piense en ello como un almacén de ascensores de energía", dice Robert Piconi, director ejecutivo de Energy Vault. "Cuando llega electricidad limpia, los bloques (hechos de material reciclado) suben, y cuando la red necesita suministro, vuelven a bajar. Un EVx con una capacidad de almacenamiento de 100 MWh puede alimentar alrededor de 25.000 hogares por día".

El tamaño y la distribución de cada instalación determinarán su capacidad general de almacenamiento, pero incluso en el extremo inferior, los edificios cubrirán decenas de acres. ¿Podría ser esto problemático? No, dice Piconi, ya que es probable que los sistemas estén situados cerca de parques eólicos y solares, lejos de los centros urbanos.

"Tampoco tendremos que cavar agujeros profundos ni tener otras limitaciones importantes en cuanto al lugar. Básicamente, cualquier lugar donde se pueda construir un edificio de 20 plantas funcionará", afirma.

Es un mensaje que parece resonar: la cartera de pedidos de Energy Vault se está llenando rápidamente, con intereses provenientes de toda Europa, Estados Unidos, Medio Oriente, Australia y China. Esto último es particularmente interesante, afirma Piconi, que espera que pueda significar un cambio de dirección para el mayor emisor de gases de efecto invernadero del mundo.

Equilibrando la red

Esto puede ser una ilusión, pero tarde o temprano todos los países tendrán que adoptar alguna forma de almacenamiento de energía verde. Esto incluye almacenamiento de larga duración, mantener las luces encendidas durante un período prolongado cuando la generación renovable es baja y breves ráfagas de electricidad cuando la red requiere suministro adicional.

Este segundo punto se relaciona con un grave problema al que se enfrentan los desarrolladores de energía verde: las redes eléctricas fueron diseñadas para funcionar con centrales eléctricas convencionales, no con energías renovables.

"La red debe estar equilibrada en todo momento", explica Thomas Morstyn, experto en ingeniería eléctrica de la Universidad de Edimburgo. "Los operadores tienen que igualar constantemente la oferta y la demanda, pero eso es complicado cuando se trata de algo tan intrínsecamente intermitente como la energía eólica o solar, que son susceptibles a variaciones repentinas".

La gran masa del peso de una batería de gravedad junto con su descenso increíblemente lento genera una enorme cantidad de torque, lo que permite que el sistema entregue la máxima potencia casi instantáneamente. Esto hace que la tecnología sea particularmente hábil para mantener el equilibrio de la red, reduciendo el riesgo de daños graves a la infraestructura y apagones al suavizar las fluctuaciones segundo a segundo.

¿Qué pasa con el litio?

Sin embargo, las baterías de iones de litio , del tipo que alimentan nuestros teléfonos, computadoras portátiles y vehículos eléctricos, pueden aumentar con la misma rapidez y tienen cifras de eficiencia de ida y vuelta similares a las de las soluciones de gravedad. El coste de las pilas de litio también ha disminuido significativamente en los últimos años. Entonces, ¿por qué no simplemente construir baterías químicas cada vez más grandes?

Al responder a esta pregunta, es importante no sólo considerar el gasto inicial, sino también el coste total de vida útil de un sistema. Las baterías de gravedad son artilugios mecánicos y, como tales, pueden romperse. Tal vez se rompa un cable, se atasque una caja de cambios o aparezca una mancha de óxido. Estos problemas son problemáticos, pero no fatales: los componentes individuales se pueden reemplazar con relativa facilidad. Esta "reparabilidad" significa que las baterías por gravedad pueden durar hasta 50 años, dice Asmae Berrada, especialista en almacenamiento de energía de la Universidad Internacional de Rabat en Marruecos.

La historia es diferente con sus homólogos electroquímicos. "Las células de iones de litio se degradan, lo que significa que su capacidad de almacenamiento cae irreparablemente con el tiempo", explica Berrada, cuya investigación ha descubierto que el coste de vida útil de las baterías de litio es el doble que el de las alternativas mecánicas. "También existen limitaciones en cuanto a cuántas veces las baterías químicas pueden realizar ciclos cada día si se intenta preservar la longevidad, que es algo de lo que los sistemas de gravedad no tienen que preocuparse realmente, ya que sus piezas se pueden reemplazar más fácilmente".

Si a esto le sumamos las preocupaciones en torno a los abusos de los derechos humanos, ya que la minería de cobalto está vinculada al trabajo infantil y al daño ambiental, Berrada está convencido de que un medio sin litio para almacenar energía verde es esencial. Por ello, ella y su equipo están trabajando en su propio prototipo de batería de gravedad a base de agua, financiado por los gobiernos español y marroquí.

En lugar de levantar un gran peso sólido, se utilizará energía verde excedente para mover un pistón sumergido hacia arriba, explica Berrada, y el viaje de regreso forzará agua a alta presión a través de un generador. Se están desarrollando sistemas similares en California y Alemania , mientras que investigadores en Nevada están explorando una solución única inspirada en el ferrocarril.

Es imposible saber cuántos de ellos se concretarán. Lo que no hay duda es que el mundo necesita soluciones climáticas audaces y creativas. En este frente, no hay soluciones mágicas, pero las baterías de gravedad, con su aprovechamiento de una fuerza verdaderamente infinita y omnipresente, casi con certeza tienen un papel que desempeñar.

Fuente: https://www.bbc.com/future/article/20220511-can-gravity-batteries-solve-our-energy-storage-problems