Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

mayo 21, 2011

Almacenar la electricidad

12-05-08 AS1
Planta termosolar de Andasol en Granada.
(Foto GDFL de BSMPS, vía Wikimedia Commons
La tecnología enfrenta el desafío de conseguir a gran escala lo que disfrutamos en nuestra electrónica personal: baterías potentes, duraderas y fiables.

La historia de las baterías que hoy accionan una multitud de dispositivos que van con nosotros a todas partes, desde la humilde linterna hasta el teléfono móvil inteligente o el portátil, hasta llegar a elementos esenciales como los marcapasos o los aparatos para la audición, comenzó en 1800, cuando el conde Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, profesor de física de la Universidad de Pavia, le escribió a la Royal Society de Londres presentándoles la primera pila electroquímica.

Esta primitiva batería constaba de un apilamiento (de ahí el nombre de “pila”) de discos alternados de cinc y plata separados por discos de cartón empapados en salmuera que funcionaba como electrolito. Volta ya había demostrado en 1791 que se podía producir una corriente eléctrica formando un circuito con dos metales separados por una tela o papel secante empapados en salmuera. Lo que hizo en 1800 fue apilar muchos de estos circuitos para obtener una fuente constante y fiable de energía eléctrica por primera vez en toda la historia humana.

Aunque la pila voltaica daba electricidad durante un tiempo muy breve, sirvió para realizar por primera vez en la historia hazañas como la electrólisis del agua, es decir, su separación en sus dos gases componentes: el hidrógeno y el oxígeno. Pero se necesitaba una batería de mayor duración, y fue desarrollada sólo 36 años después, por el británico John F. Daniel, y su diseño accionó teléfonos, telégrafos y timbres de puertas durante más de 100 años.

Estas pilas generan la electricidad, no sólo la almacenan. Las reacciones químicas entre el electrolito (que sería la salmuera) y los dos metales, uno que actúa como electrodo positivo o cátodo y otro como electrodo negativo o álodo, generan un flujo de electrones… una corriente eléctrica. El siguiente salto hacia adelante lo dio en 1859 el inventor francés Gaston Plante, que desarrolló una batería de ácido y plomo que podía recargarse, es decir, se le alimenta electricidad y la guarda hasta que la necesitamos, lo que hoy se llama “batería secundaria”. Su diseño básico era tan eficaz que se sigue utilizando en todo el mundo: es el de las pesadas baterías que llevan todos los automóviles.

Los siguientes avances fueron, primero, conseguir una batería “seca”, es decir, que no necesitara un electrolito líquido, inventada en 1886 por el alemán Carl Gassner utilizando cinc y carbono. Ese diseño dominó la mitad del siglo XX, hasta la pila alcalina de níquel y cadmio del estadounidense Lewis Urrym que se empezó a comercializar en 1959. Vendrían después las baterías de níquel e hidruro metálico (NiMH) de 1989 y las baterías de iones de litio que hoy accionan la mayoría de los dispositivos electrónicos y que empezaron a venderse en 1991. Curiosamente, la batería de iones de litio utiliza nuevamente un electrolito líquido.

Las pilas de iones de litio tienen numerosas ventajas: conservan su carga más tiempo con muy poca pérdida espontánea, lo que nos permite guardarlas más tiempo sin que se agoten; no tienen el conocido “efecto memoria”, es decir, que no necesitan descargarse por completo antes de volverlas a cargar; y además pueden recargarse cientos de veces a diferencia de otras opciones. Gracias a las baterías de iones de litio, se ha vuelto viable el sueño de los automóviles eléctricos que recorren las calles en números cada vez mayores.

El problema a gran escala

La producción a partir de la energía solar (ya sea mediante placas fotovoltaicas o mediante hornos) y a partir del viento presenta un problema que con frecuencia se omite en el debate público, y es la falta de una forma eficiente de almacenar la electricidad.

El consumo eléctrico de una zona a lo largo del día es variable. Un día especialmente caluroso en verano, por ejemplo, puede disparar un pico en la demanda de electricidad al ponerse en marcha de pronto una gran cantidad de aparatos de aire acondicionado. Pero no hay una pila o batería donde se guarde esa electricidad y se pueda echar mano de ella cuando se necesita, sino que el sistema debe tener posibilidades de generar más electricidad, por ejemplo poniendo en marcha turbinas adicionales en una hidroeléctrica o encendiendo turbinas de gas que pueden responder rápidamente a un cambio inesperado en la demanda.

Como es evidente, la demanda eléctrica no se detiene de noche, cuando las plantas solares no pueden generar electricidad (con una excepción de la que hablaremos más adelante). Tampoco puede provocarse un apagón cuando el viento es demasiado débil para mover los aerogeneradores o turbinas eólicas, o cuando el viento es demasiado fuerte y deben detenerse las turbinas de modo que el exceso de velocidad de giro no las pueda dañar.

Es por ello que muchos consideran que, al menos de momento, no es viable la eliminación de las plantas térmicas, de ciclo combinado, hidroeléctricas y nucleares que siguen siendo las principales fuentes de la electricidad que se consume en el mundo.

Andasol

Una de las aproximaciones al problema es original por cuanto no almacena electricidad, sino que almacena directamente el calor que posteriormente se utilizará para producirla en turbinas.

El pionero complejo termosolar de Andasol, en la comarca de Guádix, Granada, utiliza espejos parabólicos para concentrar el calor del sol. Los colectores solares de las tres plantas que componen el complejo generan más calor que el que se utiliza para el vapor que mueve las turbinas eléctricas para que produzcan, en conjunto, 150 megavatios. El calor excedente va a un sistema de almacenamiento térmico a base de sales fundidas, que permiten que las turbinas operen a plena capacidad durante 7,5 horas de noche o en condiciones de nublado.

Ingenioso y original, el sistema sin embargo no es trasladable a sistemas que utilizan no el calor, sino el movimiento para generar electricidad, como las granjas eólicas. Para ellas, el almacenamiento de electricidad sigue siendo el gran desafío. Y un desafío aún mayor si vemos realmente lo poco que han cambiado las baterías en su diseño básico desde que Volta utilizó la suya para producir su primer voltio.

La historia, la fama y la fortuna esperan a ese hombre o mujer que finalmente nos muestre cómo guardar la electricidad eficazmente.

Microminibatería

Jianyu Huang, de los Sandia National Laboratories de los EE.UU., construyó a fines de 2010 la batería más pequeña del mundo: un cátodo de litio cobalto de tres milímetros de largo, un electrolito de líquido iónico y un ánodo formado por un nanonalambre de óxido de estaño de 10 nanometros de largo y 100 de ancho del que se necesitarían 7.000 para igualar el espesor de un cabello humano.