Las baterías recargables basadas en vanadio representan una alternativa de la cual no hemos oído hablar demasiado, pero existe y abarca una industria naciente con gran potencial de crecimiento.
La crisis energética que está golpeando al mundo por los elevados precios de los combustibles, y en particular a Europa por su dependencia de los hidrocarburos rusos, está acelerando la adopción de nuevas tecnologías.
Hoy te presentamos todos los aspectos claves que se requieren conocer sobre las baterías recargables basadas en vanadio, y mejor aún: conocerás algunas de las compañías principales que están trabajando en el desarrollo de este tipo de dispositivo.
¿Podrá competir el vanadio con el litio?
Respondemos esta interrogante para los lectores del El País Financiero.
Son un tipo de batería de flujo recargable que utiliza iones de vanadio como portadores de carga.
Las baterías recargables basadas en vanadio aprovechan la capacidad de este elemento químico para existir en una solución en 4 estados de oxidación diferentes, lo cual permite hacer una batería con un único elemento electroactivo, en lugar de 2. Lo que las distingue es que el almacenamiento de energía ocurre en un medio líquido acuoso.
“Esta tecnología comenzó a explorarse en la década de 1930, incluso la NASA lo intenta en la década de 1970. Pero, ambas tentativas fracasan y no es hasta los años ’80 que la investigadora Maria Skyllas-Kazacos, de la Universidad de Nuevas Gales del Sur en Australia, logra tener éxito usando vanadio disuelto en una solución de ácido sulfúrico.”
A la postre, dicha tecnología terminaría siendo patentada por esta universidad en 1986.
Precisamente, a estos dispositivos se les conoce hoy en día como “Baterías de Flujo Redox de Vanadio” o “Vanadium Redox Flow Battery, (VRFB)”, debido a los procesos de reducción y oxidación (redox) del vanadio que ocurren a través de procesos químicos.
Por varias razones, incluido su volumen relativo, las baterías de vanadio se utilizan normalmente para el almacenamiento en redes de energía, es decir, conectadas a centrales o redes eléctricas.
Se estima que pueden aprovecharse para amortiguar la producción de energía irregular de los sistemas solares y eólicos a gran escala.
También pueden ser apropiadas en aplicaciones que requieren almacenamiento de batería a largo plazo con poco mantenimiento.
Estas baterías presentan tiempos de respuesta rápidos muy adecuados para aplicaciones de suministro de energía ininterrumpida (UPS), donde pueden reemplazar baterías de plomo/ácido o generadores diesel.
El tiempo de respuesta rápido también es conveniente para la regulación de frecuencia.
“Al igual que otros sistemas de almacenamiento de energía electroquímica, las baterías de flujo también se pueden desarrollar en tamaños y capacidades diferentes, que van desde unos pocos cientos de megavatios de potencia y vatios-hora de almacenamiento hasta sistemas de multi-megavatios y megavatios-hora de almacenamiento que pueden usarse en redes a gran escala”.
Las baterías recargables de vanadio se pueden utilizar de manera efectiva para todo tipo de tareas estacionarias de almacenamiento de energía.
Estas capacidades las convierten en una solución “todo en uno”, eficaz para redes, regulación de frecuencia y cambio de carga.
Los principales componentes de las baterías actuales son 5:
El vanadio es considerado un metal de transición, de color blanco agrisado, brillante y es capaz de cambiar su forma por presión, aunque también es duro.
Este elemento presenta una alta resistencia a las bases, en especial al ácido sulfúrico, lo cual es una de las propiedades principales aprovechadas en el desarrollo de baterías recargables. Por otro lado, reacciona con el agua o con una mezcla de ciertos componentes químicos.
El vanadio se encuentra naturalmente en unos 65 minerales (patronita, vanadinita, carnotita, bauxita) y en depósitos de combustibles fósiles (carbón, petróleo, esquistos, arenas bituminosas, alquitrán).
En general, se obtiene como un subproducto de la minería y se utiliza para fabricar aleaciones de acero altamente resistentes. De igual forma, se puede obtener de la recuperación del óxido de vanadio en polvos derivados de procesos de combustión.
Los principales productores mundiales de vanadio son China, Rusia y Sudáfrica, tal y como podemos ver en la siguiente tabla:
Para el año 2021, la producción mundial alcanzó 110.000 toneladas métricas y las reservas estimadas fueron de 24.165.000 toneladas métricas.
China posee las mayores reservas mundiales, seguido de Australia, Rusia y Sudáfrica.
“La misma fuente estima que los recursos mundiales de vanadio alcanzarían los 63.000.000 de toneladas métricas. Por otro lado, debido a que el vanadio generalmente se recupera como subproducto o coproducto de otros procesos, los recursos y reservas mundiales del elemento no son plenamente indicativos de la oferta disponible.”
Las baterías recargables de vanadio pueden diseñarse utilizando celdas, o más comúnmente, utilizando tanques donde se generan los electrolitos acuosos.
Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de generar electricidad a partir de reacciones químicas, o bien, capaz de utilizar electricidad para generar reacciones químicas.
Los tanques cumplen una función similar, pero se diferencian en su mayor tamaño y capacidad.
También llamada membrana de intercambio de protones, es un tejido semipermeable generalmente hecho de ionómeros y diseñado para conducir protones, mientras actúa como un aislante electrónico y una barrera reactiva.
Los electrodos en una batería recargable de vanadio están basados en carbono. Los tipos más comunes son fieltro de carbón, papel carbón, tela de carbón y fieltro de grafito.
También han ganado interés los electrodos basados en nanotubos de carbono.
Es un ácido mineral compuesto por 3 elementos: azufre, oxígeno e hidrógeno.
Se caracteriza por ser un líquido incoloro, inodoro y viscoso que se puede mezclar con agua. Se usa como solución para disolver el vanadio.
Básicamente, las baterías recargables basadas en vanadio constan de un conjunto de tanques o celdas de energía en las que 2 electrolitos están separados por una membrana de intercambio de protones.
Comencemos por mencionar las 6 ventajas más importantes de este tipo de batería:
Entre sus 4 desventajas principales tenemos:
Aunque las baterías recargables de vanadio, por su tamaño, no están concebidas como fuente de energía para dispositivos electrónicos o coches, como sí es el caso de las baterías basadas en litio, vale la pena comparar las capacidades de ambas tecnologías:
Las de litio pierden su capacidad con el paso del tiempo, razón por la cual deben ser sobredimensionadas al momento de su instalación, y ello, incrementa sus costos.
El litio tiene altos costos de eliminación, pero el electrolito de vanadio se puede reutilizar, por lo que conserva su valor intacto al final de la vida útil de la batería.
Las baterías recargables de vanadio se encuentran al comienzo de su ciclo de desarrollo, lo cual implica que las innovaciones y mejoras en esta tecnología continuarán en el futuro.
Por otro lado, a medida que se activen las economías de escala, podemos anticipar reducciones de costos que harán estas baterías económicas, tanto para las necesidades industriales como para las residenciales.
Las baterías de vanadio operan en un rango de temperaturas más grande que las de litio, por lo que pueden instalarse tanto en interiores como en exteriores.
Al almacenar la energía en tanques en lugar de celdas, resultan mucho más eficientes para proyectos a escala industrial o residencial. Cuanto más grande sea el tanque, menor será el precio por kilovatio hora.
Estas baterías pueden tener una vida útil promedio de 25 años o más, con bajo mantenimiento anual.
Cuando se necesita reemplazar una batería de vanadio, el electrolito de vanadio se puede reciclar, por lo que no es necesario extraer vanadio nuevo para su reemplazo.
En contraste, la batería de litio estándar tiene una vida útil de 7 a 10 años, y pueden degradarse rápidamente si son objeto de mal uso.
Ahora que el mundo enfrenta los costos y los riesgos de depender de los combustibles fósiles concentrados en ciertas partes del mundo, la transición energética se hace más imperiosa.
A esto se suma la evidencia cada vez más palmaria del cambio climático: estaciones climáticas irregulares con lluvias torrenciales y sequías extremas, derretimiento del hielo polar y glacial, etc.
Una de las industrias llamadas a liderar esta transición es la del coche eléctrico, cuyo énfasis descansa, hasta ahora, sobre la producción masiva de baterías recargables basadas en litio.
No obstante, tal y como acabamos de ver, no es la única tecnología para almacenar y generar electricidad.
¿Debemos entonces descartar el litio y correr hacia el vanadio?
No, en absoluto, son tecnologías de almacenamiento con capacidades y finalidades distintas. Ambas tienen ventajas y desventajas.
Las baterías de litio se orientan a dispositivos electrónicos más pequeños y móviles, como teléfonos celulares, y ahora, coches. Las de vanadio, por sus dimensiones, están concebidas para aplicaciones en redes de almacenamiento y generación eléctrica a nivel industrial y residencial.
Para entenderlo, pensemos en una analogía con los medios de transporte con los que contamos para movilizar personas y bienes:
Tenemos el coche, la motocicleta, el autobús, el tren, el avión, el helicóptero, el barco, etc. Todas ellas apuntan a una necesidad y público específico.
Un tren, por ejemplo, puede movilizar más personas que un autobús. Pero, los autobuses no van a dejar de existir, ya que requerimos desplazarnos dentro de las zonas urbanas y rurales en trayectos más cortos por los cuales no puede transitar un tren…
Lo mismo ocurrirá con las tecnologías de almacenamiento y generación de energía.
“La transición energética no es una vía de un solo canal, más bien, es como una gran autopista con múltiples canales en los cuales se transita a velocidades diferentes.
El litio, aunque tiene desventajas respecto al vanadio, por otro lado, es mucho más abundante en la naturaleza, si bien, aún están por verse los costos medioambientales reales de su extracción.”
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En vista de las circunstancias actuales cada vez gana más importancia el desarrollo de baterías basadas en vanadio como alternativa para profundizar la capacidad de almacenaje y generación de energía eléctrica.
“En medio de la crisis de la COVID-19, se prevé que el mercado mundial de baterías redox de vanadio, estimado en 237,5 millones de dólares estadounidenses en el año 2022, alcance un tamaño revisado de 592,4 millones de dólares estadounidenses para 2026, con un crecimiento compuesto anual del 20,9 % durante el período de análisis.”
Se espera que el mercado para este tipo de baterías siga extendiéndose con EE.UU., China, Japón, Canadá, Alemania y Reino Unido, como sus principales plazas.
A pesar de sus muchas ventajas técnicas, las baterías recargables de vanadio se han visto rezagadas por factores ligados a la oferta y demanda de vanadio.
Actualmente, solo hay 3 productores primarios de vanadio a nivel mundial:
Se trata de una compañía perteneciente al sector de materiales y la industria minera, con sede en Toronto, Canadá, la cual, extrae el mineral de una mina en Brasil.
La empresa participa en la producción y suministro de productos de vanadio. Asimismo, desarrolla y comercializa sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a escala para servicios públicos.
Su capitalización de mercado es de 451,5 millones de dólares y cotiza en el NASDAQ.
Es una compañía minera integrada verticalmente con sede en Johannesburgo, Sudáfrica, donde posee minas con depósitos de vanadio y otros minerales.
Opera en 4 segmentos: extracción y producción de vanadio, almacenamiento de energía, actividades de exploración para vanadio y exploración de carbón.
Cotiza en Londres y su capitalización de mercado es de 73,4 millones de libras esterlinas.
Es una empresa minera de recursos naturales diversificados con sede en Suiza, la cual produce y comercializa productos básicos.
Opera a través de 2 segmentos de negocio:
Cotiza en Londres y su capitalización actual alcanza los 65 billones de libras esterlinas, siendo la más grande de las 3 mencionadas. Hasta ahora no apunta al desarrollo de baterías recargables de vanadio.
“Estas compañías representan cerca del 20% de la oferta mundial de vanadio, mientras que alrededor del 70 % proviene de la coproducción. Es decir, la obtención de vanadio como un subproducto de la producción de acero.
La producción secundaria, a partir del reciclaje de catalizadores de refinación de aceite gastado que contienen vanadio, representa alrededor del 10%.”
Largo y Bushveld están haciendo una apuesta hacia la integración vertical para el desarrollo de las baterías recargables de vanadio. Sin embargo, su existencia como empresas no depende de ello, ya que participan en sectores como químicos, acero y la industria aeroespacial.
Andy Colthorpe, en interesante artículo para el portal Energy Storage News, recoge las impresiones de Erik Sardain, consultor para el grupo Roskill:
“Si el mercado despega, los productores primarios tendrán una ventaja competitiva sobre los participantes posteriores, productores más pequeños que, según Sardain, es poco probable que puedan llegar al mercado antes de 2024.”
En el siguiente gráfico mensual apreciamos la Evolución de la Cotización de los Principales Productores Primarios de Vanadio:
Las acciones de Largo y Bushveld cotizan a mínimos, luego de un declive que se viene desarrollando desde el último trimestre de 2018.
Por el contrario, Glencore se viene recuperando sostenidamente desde la pandemia de Covid-19. Esto se debe a que se trata de una empresa más diversificada que se ha beneficiado del boom de las materias primas.
No obstante, considerando que Largo y Bushveld están diversificando con miras a un posible crecimiento futuro del mercado de baterías recargables de vanadio, podrían ser una opción interesante para los inversores a medio y largo plazo.
Por supuesto, como empresas mineras, su perfil de ingresos y ganancias actual tiene un rezago a medida que la exploración, extracción y comercialización de los distintos minerales tiene lugar.
Pero la competencia será fuerte, ya que existen múltiples compañías especializadas en la producción de baterías recargables de vanadio que están trabajando en mejorar la tecnología, tales como, Invinity Energy Systems PLC (IES), la cual ya participa en diversos proyectos.
Se dedica a la fabricación y venta de sistemas de batería de flujo de vanadio, además de la instalación, garantía y otros servicios asociados.
Ha implementado alrededor de 10 megavatios/hora (MWh) de sistemas en 40 sitios ubicados en 14 países. Sus mercados de almacenamiento son el Reino Unido, Canadá, EE.UU., China y Sudáfrica.
Cotiza en Londres y su capitalización de mercado es de 54,54 millones de libras esterlinas.
Tal y como recoge reportaje de Will Mathis para Bloomberg sobre los proyectos en Reino Unido:
“Invinity también quiere escalar. La empresa es una de las cinco finalistas a la financiación pública para apoyar la próxima generación de almacenamiento de energía de larga duración.
Como parte de una revisión del sistema eléctrico, el gobierno está considerando otra forma de alentar el sector de almacenamiento de energía y, en última instancia, alejar al Reino Unido del gas y hacia una mayor dependencia de las tecnologías ecológicas.”
Veamos el gráfico mensual con la Evolución de la Cotización de IES:
Luego de su salida a bolsa en abril de 2020, el precio se desplomó y cotiza a mínimos de 47,0 GBX (0,47 GBP).
Veremos si IES es capaz de captar una porción significativa de este mercado en crecimiento.
Las ventajas que poseen las baterías recargables de vanadio, en especial su capacidad, duración y la posibilidad de reciclar los electrolitos de vanadio, hacen pensar que esta tecnología podría ser otra de las alternativas para mejorar los sistemas de generación de electricidad, aún a pesar de lo escaso del mineral.
No olvides que la inversión en acciones supone el riesgo de perder el capital, total o parcialmente, por lo cual debes prepararte adecuadamente para manejar el riesgo.
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