Baterías: la siguiente revolución de la energía

Eduardo Soto Sepúlveda
CEO | Phineal

29 DE SEPTIEMBRE, 2017

Primero fue la revolución de las energías renovables, hoy es el “boom” de las baterías de litio. El almacenamiento energético es la siguiente etapa para el cambio de paradigma en este tema, pero esta revolución no viene sola, los sistemas de movilidad eléctrica como lo son los automóviles, los buses, entre otros medios de transporte, ya son una realidad y esperan consolidar los sistemas en las ciudades de todo el mundo. Los hogares y las grandes industrias serán partícipes de la descarbonización de la matriz energética a través del uso de energías renovables y los sistemas de almacenamiento energético. ¿Cuál es el estado actual de las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica? ¿Cuál es el precio de las baterías y los autos eléctricos? ¿Cuándo sucederá? ¿Qué están haciendo el Gobierno y las empresas nacionales en esta materia?

Estacionamiento fotovoltaico de la empresa Mercedes Benz en la Feria Internacional de Automóviles (IAA) de Frankfurt, Alemania en Septiembre 2017.
Phineal©2017

El estudio de Bloomberg prevé que las ventas de vehículos eléctricos alcanzarán los 41 millones de unidades para 2040, lo que será equivalente a un 35% de las ventas de vehículos ligeros. Esto sería casi 90 veces la cifra correspondiente a 2015, donde se estima que las ventas de vehículos eléctricos sumaron 462,000 unidades, un 60% más que en 2014.

Para que un auto tenga verdadero atractivo en el mercado masivo, el precio inicial es lo que más importa, y los precios de las baterías deben bajar aún más. El costo de fabricación de los automóviles eléctricos caerá por debajo del de sus pares de gasolina alrededor de 2026, según un análisis reciente de Bloomberg New Energy Finance.

Los vehículos eléctricos pueden constituir un nicho importante, dado que en la actualidad apenas sobrepasan el 1% de la venta de autos en el mundo, pero algunos fabricantes pronostican que representarán hasta el 25% de sus ventas para 2025. Un cambio radical como este sacudiría a la industria automotriz y llegaría a afectar hasta a las compañías petroleras y a la minería metalúrgica. Los altos precios de las baterías han ocasionado que los vehículos eléctricos dependan mayormente de los subsidios gubernamentales. A medida que las reglamentaciones para reducir la contaminación atmosférica y la huella de carbono sumen costos a la industria los fabricantes de autos deberán encontrar una manera de generar utilidades y, al mismo tiempo, cumplir con los estándares de emisiones.

El parque de vehículos eléctricos en Chile acumula 179 unidades desde 2012 a Agosto de este año, de acuerdo con las últimas cifras de la Asociación Nacional Automotriz de Chile (ANAC). Pero las proyecciones del Ministerio de Energía apuntan a que alcancen el año 2050 el 40% del parque de automóviles, es decir, “más de cinco millones de vehículos”, destaca su titular, Andrés Rebolledo.

¿Qué está haciendo el gobierno en esta materia?

Hasta el año pasado, no se hablaba o veían lineamientos estratégicos sólidos por parte del Ministerio de Energía en torno a las materias de regulación de los sistemas de almacenamiento energético, cargadores rápidos, modelos de servicios complementarios de almacenamiento de energía eléctrica, entre otros temas. Además, el incentivo y producción en relación a esta materia había sido débil por parte de las instituciones de fomento tecnológico como universidades, institutos y centros académicos. Hoy es muy diferente este escenario ya que el tema de almacenamiento energético entró en la agenda de la mayoría de los sectores públicos y privados asociados a la energía, e incluso en áreas complementarias como es el transporte.

El Ministerio de Energía se encuentra desarrollando la hoja de ruta y definición de estrategias que permitan la incorporación de la electromovilidad en el sector energético, además de realizar una consulta ciudadana para que diferentes actores puedan contribuir en la estrategia. En el siguiente enlace se encuentra la información referente a las actividades en electromovilidad por parte del Gobierno. La Estrategia de Electromovilidad para Chile contempla 5 líneas de acción: desarrollo de información al mercado, regulación y estandarización, formación de capital humano, difusión de tecnologías vehiculares eficientes y los incentivos transitorios para el despliegue de la electromovilidad.

Por otra parte, CORFO ha realizado una convocatoria internacional para precalificar empresas que puedan desarrollar tecnologías a través de un contrato que beneficie a las partes en la regulación del precio de largo plazo. En esta convocatoria, han precalificado a al menos 7 empresas las cuales deberán presentar sus propuestas y ser evaluadas antes de fin de año, según asegura la institución de gobierno en su sitio web.

Energía fotovoltaica y baterías: un matrimonio perfecto

La energía fotovoltaica ya es una opción para los ciudadanos en Chile. La ley 20.571 permite conectar a los usuarios residenciales y las empresas con sistemas fotovoltaicos “on-grid”, o sea, que se encuentren consumiendo e inyectando a la red eléctrica convencional. Los sistemas de almacenamiento son complementarios a los de generación de energía, ya que permiten almacenar durante las horas del día la energía que será utilizada en la noche. De esta forma, los usuarios podrían disminuir las inyecciones a la red eléctrica y autoconsumirlo durante el horario de mayor uso, que por lo general es en la noche.
Las baterías además permiten mantener el suministro eléctrico mientras no exista energía desde la red de la empresa distribuidora, lo que permite una operación “off-grid” (desconectado del sistema).

Con la llegada del auto eléctrico, vemos una excelente oportunidad para que las instalaciones fotovoltaicas proliferen en la ciudad, debido a que el tiempo en que un auto se encuentra estacionado es mayor al que se utiliza y en este tiempo los vehículos podrían cargarse. La energía fotovoltaica es mucho más barata que la gasolina y el diésel, por lo que es una excelente alternativa para la introducción de esta nueva tecnología, permitiendo rentabilizar la inversión a mediano plazo.

Los cargadores pueden distribuirse por toda las ciudades y carreteras, pudiendo generar nuevos modelos de negocio que satisfagan a la creciente demanda de autos y buses eléctricos. Sólo es cuestión de tiempo, ya que el mercado lo está impulsando.

Las baterías de litio han permitido el desarrollo de los sistemas de electromovilidad, debido a su mayor densidad energética volumétrica y de peso. Se espera que esta densidad de energía aumente en la medida que se desarrolle más esta tecnología. Fuente: “Power train, Faraday Future”

El mercado creciente de las baterías estacionarias

Las baterías de litio, no sólo están revolucionando el ámbito de la electromovilidad, también lo están haciendo en la vida cotidiana, en los hogares, a través de sistemas de almacenamiento, que combinados con la energía fotovoltaica generada en los techos, puede ser la perfecta solución para gestionar la energía eléctrica. Por lo general, durante el día existe una baja demanda eléctrica en los hogares debido a que la mayoría de las personas se encuentran en sus actividades cotidianas normales, y es el momento perfecto para almacenar parte de la energía solar generada por el sistema fotovoltaico (en vez de inyectarla a la red eléctrica), para luego utilizarla en la noche. Algunos de estos sistemas pueden funcionar como “backup” de energía frente a cortes de suministro eléctrico desde la red. Uno de los sistemas más famosos actualmente es el Tesla Power Wall que es una batería de 14kWh de almacenamiento, y 7kW de potencia máxima y 5kW de inyección continua.

Las baterías de litio han permitido el desarrollo de los sistemas de electromovilidad, debido a su mayor densidad energética volumétrica y de peso. Se espera que esta densidad de energía aumente en la medida que se desarrolle más esta tecnología. Fuente: “Power train, Faraday Future”

Otras compañías ofrecen sistemas modulares como Victron Energy, SMA, ABB entre otras marcas, lo cual permite un diseño flexible dependiendo de las necesidades y presupuesto de los clientes.

BESS: 100% energías renovables en el 2050

“Battery Energy Storage System” o comúnmente conocidos como BESS, son los grandes sistemas de almacenamiento de energía eléctrica capaces de entregar una gran potencia. Sin duda estos sistemas serán los grandes precursores de la regulación y estabilidad de los grandes sistemas de potencia con alta penetración de energías renovables. Esta solución permite almacenar energía y entregarla al sistema cuando sea necesaria, permitiendo tener una continuidad de suministro eléctrico sin posibles cortes o fallas.

Actualmente en Chile la empresa AES Gener posee el primer sistema BESS conectado a el Sistema Interconectado del Norte Grande, el cual puede aportar una potencia de 20MW durante 15minutos. Estos son necesarios para la seguridad energética de los sistemas debido a que permiten la estabilidad de los aportes de potencia y se encuentran considerados dentro de los servicios complementarios en la nueva Ley que entrará en vigencia próximamente.

Se espera que estos sistemas de almacenamiento aumenten en las redes eléctricas nacionales, una vez definido el pago y definición técnica de operación de los “Servicios Complementarios”. En este reglamento se encuentra actualmente trabajando la Comisión Nacional de Energía y espera la entrada en vigencia el año 2019.

“Para alcanzar un 100% en el año de energías renovables en el año 2050 en se necesitan en la matriz energética  sistemas de predicción del recurso, redes inteligentes y sistemas de almacenamiento de energía de corto, mediano y largo plazo”

La apuesta por el desarrollo tecnológico en baterías en Chile

Nuestra empresa en enero del año 2015, inició el desarrollo de la batería que lleva como nombre “karhu system” la cual es de litio de 7kWh y busca satisfacer las necesidades de pequeños sistemas de movilidad eléctrica y además poder ser usada como una batería estacionaria para almacenar energías renovables en los hogares y empresas. Este trabajo es apoyado por CORFO a través de un Contrato Tecnológico 15COTE-46271, desarrollado por la empresa Phineal y la Universidad Técnica Federico Santa María a través del Centro Avanzado de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (AC3E).

El proyecto se denomina Solar Robotics: simplificando el futuro, y pretende desarrollar componentes electrónicos para movilidad eléctrica y almacenamiento energético para soluciones generales en Latinoamérica.

En este proyecto se ha desarrollado un sistema modular del “Battery Management System (BMS)”, que es el sistema de balance de carga y descarga de la batería (además de la medición del estado de carga). Otro componente y que lo diferencia de otros desarrollos, es un inversor cargador bidireccional, que permite a la batería cargarse desde cualquier red monofásica y también inyectar energía eléctrica a la red.

El proyecto se encuentra en fase de pruebas del prototipo de laboratorio y próximos a terminar la fase del modelo industrial.

Almacenamiento energético para emergencia con gran diseño

La empresa CENTRAL, que es una empresa del grupo Phineal, se encuentra desarrollando un sistema de audio de alta fidelidad que lleva como nombre CENTRAL-E, que además permita tener 1kWh de energía disponible para eventuales cortes de suministro eléctrico debido a problemas locales de las redes o catástrofes.

El equipo puede energizar artefactos eléctricos críticos en corriente alterna y continua como refrigeradores, celulares y entre otros dispositivos.

Además, CENTRAL-E cuenta con una radio que permite conectarse a las radioemisoras locales para conocer el estado de los cortes de energía debido a catástrofes o cortes de energía local y una lámpara integrada en el dispositivo, capaz de iluminar la habitación donde se encuentre instalado. El CENTRAL-E posee un diseño que permite instalarlo en el living de su casa sin perder el sentido estético de sus muebles, gracias a sus esterillas de colores y un buen gusto en sus dimensiones y forma.

¿Cuál es el estado actual de las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica?

Sin lugar a dudas, el desarrollo tecnológico de las baterías de litio ha permitido aumentar la densidad energética y eliminar el efecto “memoria” que tenían sus antecesoras baterías de Niquel en todas sus familias. Más de alguno debe recordar que desconectaba las baterías de sus teléfonos celulares o computadores para que no se gastara la batería. Las nuevas baterías han incrementado la densidad de energía por peso [Wh/kg] y volumen [Wh/lt], sin dudas la tecnología de baterías de litio han solucionado varios problemas que tenían las antecesoras tecnologías de almacenamiento. En la siguiente gráfica podemos ver la representación gráfica de algunas tecnologías de baterías y una comparación de la densidad energética volumétrica y de peso.

Entre los tipos de baterías de litio se distinguen 3 principalmente:
1. Litio polímero: compuesta por litio y óxido de cobalto en su cátodo (LCO). Es la primera en su tipo, y es ampliamente utilizada en teléfonos celulares.
2. Litio fosfato: compuesta de litio, fosfato y óxido de fierro en su cátodo (LFP). Ha tenido algunas aplicaciones en electromobilidad dada su alta potencia, pero tiene menor densidad energética. Es más robusta que los otros tipos de baterías de litio.
3. Ion litio: pueden estar compuestas por aleaciones metálicas en su cátodo como Manganeso (LMO), Níckel – Manganeso – Cobalto (NMC) o Níckel – Cobalto – Aluminio (NCA). Otro tipo de batería utiliza Titanio en su ánodo (LTO), mejorando su desempeño y seguridad pero de menor energía y alto costo.

A modo comparativo, se muestra la siguiente tabla con algunas características cuantitativas de los principales tipos de baterías, que luego darán lugar a los nuevos tipos utilizados hoy en día. Se compara las de Cobalto, Manganeso y Hierro Fosfato. El Cobalto se caracteriza por tener alta densidad energética pero baja tasa de corriente de descarga. El Manganeso tiene una densidad aceptable, mayor voltaje y mayor corriente. La de Hierro Fosfato tiene menor densidad energética, pero alta tasa de corriente y mayor ciclo de vida.

De la combinación de las baterías de tipo Cobalto y Manganeso surgen las baterías NMC, y más tarde las de tipo NCA. La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan baterías del tipo NMC, con pequeñas variaciones en los porcentajes de la formulación metálica del cátodo. Este tipo de batería logra un buen desempeño en cuanto a densidad energética y potencia energética sin sacrificar la seguridad ni tener alto costo. Las baterías de tipo NCA también son utilizadas para vehículos eléctricos, como lo es el caso de Tesla Motors. Este tipo de batería posee mayor densidad energética, pero es más costosa que la NMC. En menor instancia, la batería de LFP también puede ser utilizada para vehículos eléctricos debido a su alta seguridad, extensa vida útil y alta potencia específica, pero tienen menor energía específica que las 2 anteriores y esto hace que sean de mayor peso.

Entre las empresas desarrolladores de baterías de ion litio, Panasonic se ha convertido en el proveedor líder del mercado mundial de baterías en la primera mitad del año, con una cuota de mercado del 20,5%. Tras Panasonic, Samsung SDI, LG Chem, ATL y Sony completan el top five de baterías de ion litio.

El rápido crecimiento del mercado distribuido de baterías de ion-litio está obligando a los fabricantes a aumentar las operaciones y añadir capacidad. Mientras el proyecto de giga fábrica de Tesla / Panasonic en EEUU se prevé que tenga un gran impacto en el sector, un nuevo informe muestra el continuo dominio de los fabricantes chinos, coreanos y japoneses.

¿Cuál es el precio de las baterías y los autos eléctricos?

Los vehículos eléctricos representan una cuota de mercado muy pequeña al día de hoy, pero esta situación se puede comparar con la tecnología fotovoltaica hace 10 años, y sin embargo vemos ahora como la curva de experiencia de precios sigue cayendo. Bloomberg New Energy Finance (BNEF) sigue muy de cerca los costes de módulos solares con una encuesta entre compradores y vendedores de forma semanal, y se ha comenzado desde hace más de 2 años a hacer lo mismo para baterías de vehículos eléctricos. Podemos destacar que cada vez que se dobla la producción de baterías vemos una caída de casi 20% en sus precios.

La demanda de energía de los vehículos eléctricos es una gran oportunidad para las empresas generadoras, con la implantación gradual de medidas de eficiencia energética, muchas economías avanzadas como es el caso de Europa y Estados Unidos tienen una demanda sin perspectiva de crecimiento real a medio plazo y es evidente que podría incluso contraerse. El equipo de analistas de Bloomberg New Energy Finance ha estimado que los vehículos eléctricos deberían permitir un incremento del 1800TWh de la demanda eléctrica en 2040 y desplazar el consumo de 9 millones de barriles de petróleo diarios, son cifras que deberían llamar la atención a los dirigentes de gran parte de las principales economías de Latinoamérica ya que sus economías cuentan con un fuerte componente de sus ingresos nacionales basados en la industria del petróleo.

Phineal es una empresa fundada en el año 2013 y se encuentra conformada por un equipo virtuoso que se enfoca en proyectos de ingeniería eléctrica y energía solar. La empresa cuenta con productos y servicios para la industria solar que contribuirán al desarrollo sustentable de América y el mundo.

Solar Robotics® es una plataforma de manufactura avanzada de sistemas para movilidad eléctrica y almacenamiento energético. Desarrolla equipamiento eléctrico para la gestión eficiente de la energía en diversos campos de aplicación como la generación distribuida, sistemas de movilidad eléctrica, almacenamiento energético entre otras aplicaciones.

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