Baterías de Litio vs Baterías de Zinc

La startup canadiense Zinc8 ha desarrollado una batería híbrida de flujo de zinc-aire que puede almacenar energía durante varios días sin degradarse, sin riesgo de explosiones y hasta cinco veces más barata que las baterías de iones de litio, según afirma su desarrollador mientras se prepara para probar la tecnología en el estado de Nueva York.

Esta innovadora batería tiene el potencial de revolucionar por completo el mercado de almacenamiento de energía, convirtiendo las granjas eólicas y solares en fuentes de suministro constante y eliminando la necesidad de actualizar las redes de transmisión en muchos lugares.

> "En cuanto al almacenamiento de energía a gran escala, el litio no puede competir con nosotros en costo", dice el director ejecutivo Ron MacDonald, un ex miembro del Parlamento canadiense que ahora supervisa una empresa que ha recibido más de 50 millones de dólares en financiamiento.

Zinc-Aire vs Litio

El zinc-aire puede superar a las baterías de iones de litio en precio debido a que estas últimas generalmente solo pueden almacenar energía durante aproximadamente cuatro horas, por lo que un sistema de almacenamiento de ocho horas requeriría dos baterías. En cambio, la capacidad de almacenamiento del sistema Zinc8 puede aumentarse simplemente aumentando el tamaño del tanque de almacenamiento y el volumen del electrolito que contiene.

El costo de capital de un sistema de almacenamiento Zinc8 de ocho horas es de aproximadamente 250 dólares por kWh, que disminuye a 100 dólares por kWh para un sistema de 32 horas y 60 dólares por kWh para 100 horas. En cambio, los proyectos de iones de litio tienen un costo de alrededor de 300 dólares por kWh para cualquier duración superior a ocho horas.

"El mercado que buscamos son sistemas de ocho horas o más", explica MacDonald a Recharge. "Y la razón es que a medida que aumentas la capacidad de almacenamiento, el costo total del sistema sigue disminuyendo significativamente".

En términos del costo nivelado de almacenamiento (LCOS, por sus siglas en inglés), es decir, el costo de almacenar cada MWh de energía a lo largo de la vida útil de un proyecto, teniendo en cuenta todos los gastos de capital y operativos, el zinc-aire supera ampliamente al litio para capacidades de almacenamiento superiores a ocho horas. Esto se debe a que el LCOS de los sistemas de litio, para aplicaciones de larga duración que requieren ciclos completos diarios o de varios días, aproximadamente se duplica por cada diez horas adicionales de capacidad de almacenamiento, en comparación con aproximadamente cada 70 horas en el caso del zinc-aire.

Esto significa que un sistema de almacenamiento de zinc-aire de diez horas tendría un LCOS de aproximadamente 100 dólares por MWh, en comparación con 125 dólares por MWh para el litio. Pero un sistema de zinc-aire de 72 horas tendría un LCOS de alrededor de 180 dólares por MWh, en comparación con más de 600 dólares por MWh para el litio.

Se espera que el costo de la batería de zinc-aire disminuya significativamente a medida que aumente la capacidad de fabricación.

Funcionamiento del sistema Zinc8

El zinc-aire ha sido durante mucho tiempo considerado como una forma potencialmente barata y potente de almacenamiento de energía, pero siempre parecía tener una falla fundamental: la formación de una capa irregular de zinc en el electrodo llamada dendrita, que causaba cortocircuitos y otros problemas.

Paradójicamente, Zinc8 encontró el éxito al abrazar esta falla y utilizarla en beneficio de la empresa.

"La mayor parte de la investigación sobre las baterías de zinc-aire se centró en un electrolito que eliminaría o reduciría la formación de dendritas", explicó el director de tecnología Simon Fan. "Adoptamos un enfoque totalmente diferente: nos gustan las dendritas".

El equipo de Fan inventó un proceso, que sigue siendo un secreto comercial, que permite eliminar fácilmente la dendrita del electrodo para obtener "hermosas partículas dendríticas que podemos transferir al tanque de almacenamiento".

En términos sencillos, la batería Zinc8 utiliza electricidad de la red para dividir el zincato químico (ZnOH4) en zinc, agua y oxígeno, lo que produce partículas de zinc cargadas que pueden almacenar electricidad durante semanas. Cuando se necesita electricidad, el zinc cargado se combina con oxígeno del aire (y agua), liberando la electricidad almacenada y produciendo zincato, que luego vuelve a ciclarse para comenzar el proceso nuevamente.

La batería en sí consta de tres partes: el "regenerador de zinc", que genera las partículas de zinc cargadas; el tanque de almacenamiento, que contiene el electrolito de hidróxido de potasio (KOH) y almacena el zinc cargado; y la pila de energía, una especie de celda de combustible que convierte el zinc en zincato y devuelve su carga a la red.

El zinc puede almacenarse durante meses en el electrolito, se acumula en el fondo del tanque de almacenamiento, aunque pierde aproximadamente el 1% de su carga almacenada por día. Estas partículas se bombean luego a la pila de energía cuando se requieren, a través de un mecanismo de bombeo propietario diseñado y construido internamente, donde se extrae la carga y se entrega a la red.

El electrolito, en el cual se forma el zinc, no se degrada y es idéntico al inicio y al final de cada ciclo, y no hay consumo neto de zinc, oxígeno o agua. Las únicas partes del sistema que se degradan son los electrodos y la pila de energía, que deben reemplazarse cada pocos años, según el uso.

La eficiencia de ida y vuelta del sistema, es decir, el porcentaje de energía de entrada que se obtiene al final, es de aproximadamente el 65%, muy inferior al 95% de los iones de litio, pero esto se tiene en cuenta en las cifras del LCOS.

Y a diferencia de la mezcla inflamable de sales de litio y solventes orgánicos que componen el electrolito de las baterías de iones de litio, el electrolito de potasio es extremadamente estable, no se calienta y no puede encenderse o explotar. Esto significa que algunas de las requisitos adicionales de seguridad de las plantas de iones de litio, como edificios de contención, no son necesarios para las instalaciones de zinc-aire, lo que reduce aún más los costos del sistema.

¿De dónde surgió Zinc8?

La tecnología de zinc-aire fue originalmente desarrollada por una empresa de Silicon Valley, Metallic Power Inc, que luego fue adquirida por Teck Cominco (más tarde conocida como Teck Resources), una de las mayores empresas mineras de Canadá y uno de los mayores productores de zinc del mundo. En 2018, MGX Minerals adquirió la tecnología de Teck, y en 2019 la separó en una empresa independiente, MGX Renewables, que se cotizó en la Bolsa de Valores de Canadá el año pasado y luego se rebrandeó como Zinc8 Energy Solutions.

La inversión total en la tecnología hasta la fecha, por parte de Teck, MGX e inversores, teniendo en cuenta la oferta pública inicial del año pasado y las recientes rondas de financiamiento, asciende a aproximadamente $52 millones.

Sin embargo, la empresa había pasado en gran medida desapercibida hasta enero de este año, cuando ganó el Desafío de Innovación de la Autoridad de Energía de Nueva York (NYPA), una licitación destinada a encontrar tecnologías de almacenamiento de más de ocho horas. Zinc8 ahora está colaborando con NYPA, la mayor empresa de servicios públicos estatales de EE. UU., en la construcción de un proyecto piloto de 100 kW/1 MWh (es decir, diez horas) para un cliente comercial de NYPA en el oeste del estado de Nueva York para 2022. Esto permitirá "demostrar el aspecto de larga duración de nuestra batería y también validar los datos para que podamos avanzar con la Autoridad de Energía de Nueva York en muchos de sus futuros proyectos", explica Fan.

"Esto es lo que ha cambiado nuestra empresa: pasar de tener cierto interés, pero nadie pensaba que el zinc-aire estaba listo, a que nuestros teléfonos no paran de sonar con llamadas de grandes empresas de servicios públicos y compañías conectadas globalmente de todo el mundo", agrega MacDonald. "Nos ha dado un nivel de credibilidad, de realidad con el mercado más amplio y grande que nos habría llevado mucho tiempo y mucho tocar puertas lograr".

Según MacDonald, ha habido consultas de empresas de servicios públicos multinacionales, operadores de sistemas de transmisión, desarrolladores de energía eólica y solar grandes y pequeños, empresas de EPC (ingeniería, adquisiciones y construcción), desarrolladores de tecnología que desean colaborar en sistemas de control e incluso empresas de baterías de iones de litio.

MacDonald afirma que NYPA ha brindado un gran apoyo y está proporcionando $2.55 millones de financiamiento para el proyecto para acelerar el desarrollo de la tecnología.

Desde entonces, se ha acordado otro proyecto piloto comercial. Zinc8 ha aceptado construir un sistema de zinc-aire de 100 kW/1.5 MWh (15 horas) en Brooklyn para Digital Energy, una empresa desarrolladora de energía limpia y propietaria de una gran cantidad de almacenamiento de baterías de iones de litio. La instalación, que se ubicará en uno de los edificios de Digital Energy, permitirá una comparación directa entre las dos tecnologías de almacenamiento de energía. "Esto es para que podamos comenzar a generar la confianza necesaria en las personas para que cambien de las baterías de iones de litio a nosotros", dice MacDonald. "Y podemos demostrar el almacenamiento a largo plazo".

Perspectivas futuras

Zinc8 no es la única empresa que ha estado desarrollando tecnología de zinc-aire. Una empresa israelí, Phinergy, ha estado trabajando en una tecnología similar durante varios años y recientemente anunció un acuerdo con una empresa china para fabricar y vender sus baterías de zinc-aire en China. Sin embargo, hasta ahora, la empresa no ha informado de un proyecto piloto a gran escala ni ha anunciado precios o eficiencias.

Zinc8, por otro lado, está a punto de comenzar a producir en masa sus sistemas, a través de una asociación con una gran empresa fabricante de productos electrónicos. "Actualmente, estamos en una instalación de prueba en Canadá, donde estamos fabricando nuestros productos en cantidades mucho más grandes de lo que hemos hecho antes, pero todavía no en un volumen de fabricación completo", dice MacDonald. "Estamos trabajando hacia ese objetivo".

La empresa tiene como objetivo comenzar a construir una planta de fabricación a gran escala en 2023, lo que permitirá la producción de sistemas a un ritmo mucho más rápido y la reducción de costos asociados. También planea establecer una presencia en los Estados Unidos y Europa para atender a esos mercados, y está considerando asociarse con empresas que ya tienen capacidades de fabricación para acelerar la producción.

En cuanto al futuro de la tecnología de almacenamiento de energía, MacDonald es optimista. "Creo que en tres a cinco años, las baterías de zinc-aire tendrán una participación de mercado significativa, y en diez años podrían ser la tecnología dominante para la mayoría de los casos de almacenamiento de energía", predice. "En términos de costo y rendimiento, creo que competiremos favorablemente con las baterías de iones de litio".

El almacenamiento de energía es un componente clave para la transición hacia fuentes de energía renovable y sistemas eléctricos más sostenibles. Las baterías de zinc-aire, con su mayor duración, menor costo y mayor seguridad en comparación con las baterías de iones de litio, tienen el potencial de transformar la forma en que se almacena y utiliza la energía en todo el mundo.