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El Blog de Ignacio Mártil

baterías

Los minerales críticos, ¿el petróleo del siglo XXI?

14 febrero, 2022 Ignacio Mártil 1 COMENTARIO

En Sin categoría

A pesar de las dificultades, que se han puesto de manifiesto en la reciente cumbre de Glasgow, el sistema energético mundial se encuentra en medio de una importante transición hacia fuentes de energía limpias. Los esfuerzos de un número cada vez mayor de países y empresas para reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero exigen el despliegue masivo de una amplia gama de tecnologías, muchas de las cuales a su vez dependen de minerales críticos como el cobre, el litio, el níquel, el cobalto y las denominadas tierras raras.

Mina de litio a cielo abierto en el desierto de Jujuy (en Argentina).

A medida que la transición hacia las fuentes renovables se acelera en todo el planeta, y los paneles solares, las turbinas eólicas y los automóviles eléctricos se despliegan en una escala creciente, los mercados de los minerales críticos podrían estar sujetos a volatilidad de los precios, influencia geopolítica e incluso de interrupciones en el suministro.

Los minerales críticos traen desafíos a la seguridad energética

Un sistema energético alimentado por tecnologías renovables difiere profundamente de uno alimentado por los basados en combustibles fósiles. Las plantas solares fotovoltaicas, los parques eólicos y los vehículos eléctricos requieren más minerales que sus equivalentes dependientes de los combustibles fósiles. Un automóvil eléctrico típico requiere seis veces más minerales que un automóvil convencional y una planta eólica necesita nueve veces más recursos minerales que una central térmica de gas natural.

Los tipos de recursos minerales utilizados varían según la tecnología. El litio, el níquel, el cobalto, el manganeso y el grafito son cruciales para el rendimiento de las baterías, su longevidad y su densidad energética. Las tierras raras son esenciales para los imanes permanentes que utilizan las turbinas eólicas y para los motores de los vehículos eléctricos. Las redes eléctricas necesitan una gran cantidad de cobre y aluminio, siendo el cobre una piedra angular para todas las tecnologías relacionados con la electricidad.

Esta imagen lo muestra (fuente: Agencia Internacional de la Energía):

Requisitos de elementos químicos de las nuevas tecnologías.

Aumento sustancial de la demanda

El cambio a un sistema energético basado en tecnologías renovables impulsará un enorme aumento en los requisitos para estos minerales, lo que significa que el sector de la energía está emergiendo como una fuerza clave en los mercados de estos minerales. Hasta mediados de la década de 2010, el sector de la energía representaba una pequeña parte de la demanda total de la mayoría de los minerales. 

Sin embargo, a medida que la transición energética se acelera, se están convirtiendo en el segmento de más rápido crecimiento. La participación de las tecnologías renovables en la demanda total aumentará significativamente en las próximas dos décadas a más del 40 % para el cobre y las tierras raras, el 60-70 % para el níquel y el cobalto y casi el 90 % para el litio. De hecho, los vehículos eléctricos y el almacenamiento con baterías ya han desplazado a la electrónica de consumo para convertirse en el mayor consumidor de litio.

La garantía de suministro, un nuevo cuello de botella

A medida que los países aceleran sus esfuerzos para reducir las emisiones, también deben asegurarse de que sus sistemas energéticos sigan siendo fiables y seguros. Los actuales mecanismos internacionales de seguridad energética están diseñados para proporcionar garantías frente a los riesgos de interrupciones o picos de precios en los suministros de hidrocarburos, en particular petróleo, y en estos meses, el gas natural. Las preocupaciones sobre la volatilidad de los precios y la seguridad del suministro no desaparecerán en un sistema energético dominado por las energías renovables. Esta es la razón por la que se debe prestar mucha atención a la cuestión de los minerales críticos. 

En otras palabras, a medida que se acelera la transición energética, la energía se está convirtiendo en un importante consumidor de minerales críticos, lo que tendrá consecuencias de largo alcance para la minería de estos elementos.

La energía eólica, que hace un uso intensivo de materiales, es uno de los sectores más demandante de estos minerales en estos momentos. La energía solar fotovoltaica le sigue de cerca, debido al gran volumen de capacidad que se instala año tras año. En otros sectores, el rápido crecimiento del hidrógeno como “almacén” de energía sustenta un importante crecimiento de la demanda de níquel y circonio para electrolizadores y de metales del grupo del platino para pilas de combustible. La demanda de cobalto podría ser de 6 a 30 veces mayor que los niveles actuales, dependiendo de la evolución de la tecnología de las baterías. 

Papel crucial de la política

Del mismo modo, las tierras raras pueden tener una demanda de tres a siete veces mayor en 2040 que en la actualidad. La mayor fuente de variabilidad de la demanda proviene de la incertidumbre en torno a la velocidad con la que se pongan en marcha las políticas encaminadas a un escenario renovable. La gran pregunta es si el mundo realmente se dirige hacia un escenario cada vez más neutro en emisiones de gases de efecto invernadero. Los responsables políticos tienen un papel crucial en la reducción de esta incertidumbre, dejando claras sus ambiciones y convirtiendo los objetivos en acciones. Esto será vital para reducir los riesgos de inversión y garantizar un flujo adecuado de capital a nuevos proyectos.

Finalizo con un cuadro muy llamativo: hoy en día, los ingresos por la producción de carbón son diez veces mayores que los debidos a los minerales críticos. Sin embargo, en un escenario impulsado por la transición energética, la facturación de minerales críticos superará a la del carbón mucho antes de 2040.

El cambio de paradigma: del negocio del carbón al de los minerales críticos.

Sin la menor duda, nos encontramos en los comienzos de un nuevo mundo, lleno de expectativas, pero también de incertidumbres.

Almacenamiento con baterías: el futuro de las renovables

13 marzo, 2020 Ignacio Mártil 2 COMENTARIOS

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Las baterías no solo tienen su aplicación inmediata en los teléfonos móviles y los vehículos eléctricos. El futuro del sector del almacenamiento está directamente relacionado con una de las grandes cuestiones pendientes para las fuentes de energías renovables: almacenar la energía excedente producida en las instalaciones solares, eólicas, geotérmicas, etc. Es ahí donde se espera un gran crecimiento en los próximos años:

El almacenamiento de energía es un elemento fundamental para el desarrollo futuro de las renovables.
El gran almacenamiento de energía, clave para el futuro de las renovables.

Los sistemas de almacenamiento van a aumentar gracias al creciente interés por instalar energía solar fotovoltaica en industrias, en los hogares y en pequeñas y medianas empresas.

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Baterías de ion-litio: consideraciones económicas

23 abril, 2019 Ignacio Mártil 6 COMENTARIOS

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Como hemos visto en anteriores post de esta serie, podemos decir que la estructura de una batería de ion-litio está formada por un cátodo, un electrolito y un ánodo diferentes del resto de baterías. Utiliza como cátodo colector de corriente una capa de aluminio cubierta con un óxido de cobalto y litio; como electrolito, un solvente orgánico en el que se encuentra diluida una sal de litio; y como ánodo, un colector de corriente compuesto por una lámina de cobre recubierta con una capa de carbono.

1. Proceso de fabricación de las baterías de ion-litio

El proceso de fabricación de baterías actualmente más extendido se desarrolló en Sony, el primero en introducir en el mercado está clase de baterías en cantidades rentables desde el punto de vista comercial. Los científicos e ingenieros de Sony se percataron de que el proceso de fabricación de las famosas cintas magnéticas (las popularmente conocidas en la España de los años 80 como “casettes”) podía adaptarse con pocos cambios para fabricar las baterías de iones de litio. Puesto que a finales de los años 80, los CD estaban expulsando del mercado de grabación a las cintas magnéticas, disponían de la tecnología, los equipos y el personal necesarios y “ociosos”.

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Funcionamiento de una batería de ion-litio

21 febrero, 2019 Ignacio Mártil 16 COMENTARIOS

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En los dos post anteriores de este blog he descrito las generalidades de las baterías recargables y cómo son las más ampliamente utilizadas en la actualidad, las baterías de iones de litio. En este texto prosigo con la descripción de esta clase de baterías para analizar los procesos de carga y descarga de las mismas, que son la clave de su funcionamiento.

1. Cómo se carga y descarga una batería de ion-litio.

En las baterías de ion-litio, los iones se mueven en una dirección cuando la batería se carga, es decir, cuando absorbe energía que le proporciona una fuente externa y se mueven en sentido contrario cuando la batería se descarga, que es el momento en el que la batería está suministrando energía a una determinada carga. El proceso se muestra en la imagen:

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Baterías recargables: elemento clave en la vida moderna

18 diciembre, 2018 Ignacio Mártil 1 COMENTARIO

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Nuestra forma habitual de comunicarnos (teléfono móvil) y, cada vez más, de desplazarnos (patinetes, vehículos eléctricos, híbridos, etc.) depende del adecuado funcionamiento del elemento que proporciona la energía necesaria para el funcionamiento de todos los dispositivos indicados: la batería recargable.

Con este post comienzo una serie que dedicaré a las baterías recargables. En este primero, describiré qué son y en qué se basan esta clase de baterías.

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Problemas y frenos al desarrollo del vehículo eléctrico

13 junio, 2017 Ignacio Mártil 3 COMENTARIOS

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En los dos post anteriores de este blog he realizado un análisis de la eficiencia energética del Vehículo Eléctrico (en lo que sigue, VE) y de algunos de sus costes, relacionados esencialmente con el combustible. En este analizaré cuáles son en la actualidad los frenos que impiden su uso generalizado.

¿Por qué no están ya rodando masivamente los VE por nuestras carreteras?  Hay un gran número de problemas aún por resolver para hacer realidad el VE. Sin entrar en detalles ni ser exhaustivo, los principales factores que al día de hoy limitan su desarrollo son los siguientes:

  1. Autonomía de las baterías.

Es uno de los principales factores que limitan el desarrollo del Vehículo Eléctrico. Los modelos más vendidos como el Nissan Leaf o el Think City disponen de baterías con unos 150 kilómetros de autonomía. Solo los vehículos de alta gama Tesla disponen de baterías con autonomía cercana a los 400 kilómetros. Las previsiones estiman que en un plazo de 10-15 años, la autonomía para vehículos de gama media estará en los 300-400 kilómetros.

  1. Materias primas para la fabricación de las baterías.

Las de más autonomía están fabricadas con litio, elemento químico cuyos yacimientos más numerosos se encuentran en unos pocos países como Bolivia, Chile y Afganistán. Las previsiones indican que, en un futuro próximo, el litio se reciclará, con lo que no será un problema encontrar yacimientos. Hay un mínimo de 35 millones de toneladas de reservas de litio reconocidas a nivel mundial. Las baterías de litio para los coches eléctricos necesitan menos de 15 kilogramos por batería y uno de los principales fabricantes, Renault-Nissan, indica que sólo necesita 4 kilogramos, por lo que muchos de los agentes implicados en el sector del Vehículo Eléctrico esperan que este factor no suponga un freno excesivo.

  1. Infraestructura de recarga y cargadores rápidos.

El tiempo de recarga de las baterías se presenta como un factor crítico en el desarrollo del VE. Mientras haya incertidumbres o dudas sobre dónde se podrá recargar la batería si se hacen muchos kilómetros, el VE no se generalizará. Además, a esta limitación severa se unen unos tiempos de recarga muy elevados, entre 6 y 8 horas. Con una infraestructura de “electrolineras” distribuidas por todo el territorio y cargadores rápidos de 20-30 minutos todo sería más fácil, pero en este momento no deja de ser una utopía, lo que sitúa a estos factores como los principales escollos a superar para lograr la generalización del uso del Vehículo Eléctrico.

No obstante, la apuesta por el VE por parte de algunos de los grandes fabricantes del mundo parece clara y en un período de tiempo no muy lejano los veremos circular masivamente por las carreteras de todo el mundo. En la siguiente figura se muestra la evolución esperada hasta el año 2050 para el número de vehículos en circulación según el tipo de combustible utilizado:

 

Hoja de ruta del VE. Fuente: International Energy Agency.

4. Unas breves conclusiones

Es obvio que unas previsiones a tan largo plazo pueden cumplirse en parte, apenas o nada, pero como es bien sabido, las previsiones se cumplen si se hacen los esfuerzos necesarios para que se cumplan.

Es preciso hacer una apuesta decidida por sistemas de transporte que eviten emisiones, reduzcan nuestra descomunal factura de petróleo (en 2015, cerca de 25.000 millones de euros en combustibles fósiles, la mayor parte petróleo) y nos permita desarrollar nuestra propia infraestructura energética. De manera inmediata, lo agradecerá nuestra economía y a medio plazo, nuestro medio ambiente.

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Ignacio Mártil

Ignacio Mártil

Soy Doctor en Física (1982) y Catedrático de Universidad (2007) en el área de Electrónica. Realizo mi actividad investigadora en la Universidad Complutense de Madrid, de carácter marcadamente experimental, en el campo de la física de los semiconductores. Soy especialista en propiedades eléctricas y ópticas de estos materiales, así como en dispositivos electrónicos y opto-electrónicos basados en ellos, siendo mi principal objetivo en la actualidad el estudio de conceptos avanzados en células solares.

Mi trabajo científico se concreta en los siguientes indicadores principales: soy co-autor de más de 150 artículos científicos publicados en revistas de alto impacto de ámbito internacional; he presentado cerca de 100 ponencias en congresos internacionales; he participado y participo, como Investigador Principal o como miembro del equipo investigador, en 22 proyectos de investigación financiados con fondos públicos en concurrencia competitiva; he dirigido 7 Tesis Doctorales; finalmente, soy evaluador de publicaciones (“referee”) de 15 revistas científicas internacionales.

Soy miembro de la Real Sociedad Española de Física y realizo un intensa labor divulgativa mediante mi blog personal "Un poco de Ciencia, por favor", que se encuentra alojado en el diario Público

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