Densidad energética frente a duración: qué importa realmente en el almacenamiento estacionario

En la comparación entre tecnologías de almacenamiento hay un número que se cita más que cualquier otro: la densidad energética, los vatios-hora por kilogramo. Es el parámetro que ha guiado veinte años de desarrollo de las baterías, por una razón sencilla: las baterías se han desarrollado sobre todo para cosas que se mueven. Un teléfono, una herramienta, un coche.

Para un almacenamiento estacionario, ese número importa mucho menos de lo que se cree, y este artículo explica por qué, y qué parámetro mirar en su lugar.

El compromiso, dicho sin rodeos

Le celdas polianiónicas NFPP tienen una densidad energética de 100–120 Wh/kg. El litio-ferrofosfato está entre 120 y 180, el níquel-manganeso-cobalto entre 220 y 280.

Los valores para las químicas de referencia provienen de las pruebas realizadas en las celdas de comparación específicas indicadas en la fuente, bajo las condiciones de prueba informadas. No deben interpretarse como un rendimiento universal de sus respectivas familias químicas, que incluyen celdas con formulaciones y construcciones muy diferentes entre sí.

Leída de izquierda a derecha, la tabla parece una clasificación en la que el sodio llega último. Leída en las dos columnas juntas, cuenta otra cosa: las dos magnitudes se mueven en direcciones opuestas. El níquel-manganeso-cobalto tiene la densidad más alta y los ciclos más bajos. El sodio polianiónico tiene la densidad más baja y los ciclos más altos. No es una coincidencia, es física.

¿Por qué no se pueden tener ambas?

Un cátodo almacena energía alojando iones en una estructura cristalina. Hay dos formas de diseñar esa estructura, y están en tensión entre sí.

¿Se puede devolver? espesa y ligerapocos átomos que no participan en la reacción, muchos sitios disponibles para los iones, masa concentrada donde se necesita. Es el camino de los óxidos层状 y produce la energía específica más alta. El costo es que la estructura se dilata y se contrae en cada ciclo, y a fuerza de respirar pierde orden.

O se puede hacer rígidase construye un andamio tridimensional con grupos fosfato y pirofosfato que mantienen la red en su lugar. Los iones entran y salen sin que la estructura se deforme. El coste es que esos grupos tienen una masa, y esa masa no almacena energía: es estructura de soporte.

La densidad energética que el cátodo polianiónico no tiene es exactamente el peso del armazón que le da la durabilidad.

Pedirle ambas cosas a una química es como pedirle a un edificio que tenga paredes delgadas y resista un terremoto.

¿Cuánto pesa de verdad, en la práctica?

Traducido a un sistema doméstico: a igualdad de capacidad instalada, una batería de sodio polianiónico es más voluminosa y más pesada que una de litio ferrofosfato. En un armario apoyado contra una pared, en un garaje o en un cuarto técnico, esto se traduce en unos centímetros más de profundidad y unas pocas decenas de kilos más.

Vale la pena preguntarse cuándo esto constituye un problema real. Si la batería tiene que subir a un techo, entrar en un compartimento preexistente estrecho o montarse en la pared sobre una estructura ligera, el volumen y el peso deben verificarse durante la inspección técnica, tal como se verifica cualquier otra restricción de instalación. En un local técnico en el suelo, que es la situación con mucho más frecuente, la diferencia no tiene consecuencias prácticas.

Lo que nunca cambia es esto: una batería estacionaria se levanta una sola vez, el día de la instalación. A partir de ese momento, los vatios-hora por kilogramo ya no influyen en nada. Ni en el rendimiento, ni en la factura, ni en la duración.

El parámetro a observar

Si la densidad energética no es el criterio correcto para el almacenamiento estacionario, ¿cuál es?

Es el costo de la energía realmente ciclada durante la vida del sistema — en la literatura LCOS, Costo Nivelado del Almacenamiento. En una primera aproximación se obtiene dividiendo el costo total del sistema por la cantidad de energía que dicho sistema logrará hacer transitar antes de llegar al final de su vida útil.

El caso es que en el denominador están los ciclos. Dos baterías con el mismo precio de lista y la misma capacidad, pero con un número de ciclos diferente, tienen costos por kWh acumulado profundamente diferentes, y esta diferencia no se ve en ninguna comparación hecha sobre el precio de compra.

Luego, cuenta tres magnitudes que el precio de lista no muestra:

• el’eficiencia de ida y vuelta, ya que cada punto perdido es energía que se disipa en forma de calor en cada ciclo, a lo largo de toda la vida útil del sistema. Las celdas NFPP miden 97%;
• el profundidad de descarga utilizable, porque una capacidad nominal de la que solo se puede aprovechar una parte es una capacidad nominal inflada. Los 9.000 ciclos de las celdas NFPP se declaran con un DoD de 95%, es decir, vaciando la batería casi por completo en cada ciclo;
• el rendimiento a temperaturas reales del lugar de instalación, no a 25 °C de laboratorio — el tema de un análisis detallado aparte.

Hemos aplicado este método a la generación actual de los sistemas Heiwit en un artículo dedicado al cálculo del LCOS. Los valores actualizados para la generación con celdas polianiónicas se publicarán en el momento de la comercialización, cuando las especificaciones del sistema sean definitivas.

Cuando la elección sería opuesta

Por honestidad intelectual, hay que decir dónde este compromiso no se sostiene.

En un vehículo eléctrico cada kilogramo de batería es masa que acelerar, frenar y transportar durante toda la vida útil del medio: allí la densidad energética no es un parámetro entre otros, es el parámetro. Lo mismo se aplica a la electrónica portátil, a las herramientas a batería y a cualquier aplicación en la que el peso se paga en cada uso.

Por eso el sodio no sustituirá al litio en todas partes, y quienes lo presentan como una tecnología que “gana al litio” están simplificando hasta equivocarse. Son químicas con vocaciones diferentes. El almacenamiento estacionario combinado con la fotovoltaica es la aplicación en la que las propiedades del sodio polianiónico —durabilidad, estabilidad térmica, tolerancia al frío, independencia del litio y del cobalto— valen más que aquello a lo que renuncia.

Preguntas más frecuentes

¿Es una batería de sodio más grande que una de litio?

Sí, con la misma capacidad en kWh. La diferencia es de unos centímetros y unas pocas decenas de kilos en un sistema doméstico, y debe verificarse en una visita in situ solo si el espacio disponible es limitado.

¿Menos Wh/kg significa que rinde menos?

No. La densidad energética describe cuánta energía contiene un kilogramo, no cuánta se recupera. La energía recuperada en cada ciclo depende de la eficiencia —97% para las celdas NFPP— y de la profundidad de descarga aprovechable.

¿Qué es LCOS?

Costo Nivelado del Almacenamientoel costo de cada kWh que pasa por la batería a lo largo de toda su vida, obtenido relacionando el costo total del sistema con la energía total ciclada. Es el parámetro que hace comparables baterías con precios, capacidades y duraciones diferentes.

¿Por qué no se diseña un cátodo denso y rígido al mismo tiempo?

Porque la rigidez se obtiene añadiendo al retículo grupos que lo mantienen en posición, y esos grupos tienen una masa que no participa en el almacenamiento de la energía. La densidad y la estabilidad estructural compiten por el mismo espacio y la misma masa.