Las baterías no pueden resolver el problema mundial de almacenamiento de energía Electrochaea cree que las arqueas podrían hacerlo

De vez en cuando, desde California hasta Alemania, hay noticias de "precios negativos de la electricidad", un efecto secundario peculiar de los esfuerzos globales para generar energía limpia. Las granjas solares y las turbinas eólicas producen cantidades variables de energía según los caprichos del clima. Por lo tanto, construimos redes eléctricas para manejar solo los niveles de energía que esperamos en una ubicación determinada. Pero en algunos casos, hay más sol o viento de lo esperado, y estas fuentes de energía renovable inyectan más energía de la que la red puede manejar. Los productores de esa energía tienen que pagar a los clientes para que consuman el exceso de electricidad; de lo contrario, la cuadrícula se sobrecargaría y fallaría.

A medida que construimos más y más capacidad de energía renovable en un esfuerzo por cumplir con los objetivos de reducción de emisiones del acuerdo climático de París, estas situaciones se volverán más comunes. Las nuevas empresas lideradas por emprendedores que ven este futuro en el horizonte ahora están buscando formas de ganar dinero con el inevitable exceso de electricidad limpia.

En un día levemente frío de abril, con olor a caca en el aire, conocí a una de estas nuevas empresas en una planta de tratamiento de aguas residuales en Copenhague, Dinamarca. Electrochaea toma el dióxido de carbono producido durante el proceso de limpieza de las aguas residuales y lo convierte en gas natural. Eso por sí solo sería bastante impresionante; Si queremos detener el calentamiento global en su camino, debemos hacer todo lo posible para evitar que el CO2 ingrese a la atmósfera. Pero Electrochaea también ha descubierto una forma de alimentar a toda la empresa con el exceso de energía verde producida durante los días particularmente soleados y ventosos que de otra manera se habrían desperdiciado, porque no habría habido forma de almacenarla.

En otras palabras, cuando se amplía, el proceso de Electrochaea podría ser una respuesta a uno de los mayores problemas del siglo XXI: el almacenamiento de energía, y al mismo tiempo hacer mella en la reducción de emisiones.

La planta piloto de Electrochaea en Copenhague, con la planta de tratamiento de agua Biofos al fondo. Este artículo es parte de la serie Race to Zero Emissions que investiga la tecnología de captura de carbono. También puede leer nuestro artículo que expone los argumentos a favor del uso de la tecnología para combatir el cambio climático.
El problema de la batería
El mayor problema con la energía eólica y solar es que son intermitentes. Puede haber vientos violentos un día y cielos tranquilos al día siguiente; sol abrasador el lunes y 100% de nubosidad el martes. Algunos argumentan que este problema se resuelve fácilmente almacenando el exceso de energía en las baterías hasta que se necesite en un momento posterior. Además, los defensores de las baterías dicen que, aunque las baterías del tamaño de una librería necesarias para almacenar energía solar para una casa pequeña son caras hoy en día, los precios están cayendo y seguirán cayendo durante algún tiempo.

Excepto que no es tan fácil. Las baterías en el mercado para estas aplicaciones son, esencialmente, versiones grandes de las baterías de iones de litio que se encuentran en los teléfonos móviles. Solo pueden almacenar energía durante un cierto período de tiempo, como máximo semanas. Tan pronto como se retira la fuente de carga, comienzan a perder la carga.

Eso no es un problema si las baterías son para eliminar los picos y valles del uso diario. El problema es que la demanda de energía de la humanidad está sesgada en función de las estaciones locales, lo que a veces requiere aprovechar todas las fuentes disponibles y, a veces, no utilizar mucha energía en absoluto. La demanda máxima de energía de Mumbai se produce durante los días más calurosos del verano, cuando la gente utiliza acondicionadores de aire para sobrevivir. La demanda máxima de energía de Londres se produce durante los días más fríos de los inviernos, cuando la gente quema gas natural para calentar sus hogares y oficinas.

La demanda máxima de energía, ya sea para calefacción o refrigeración, puede ser hasta 20 veces mayor que la energía consumida en un día promedio. Hoy en día, en esos días de alta demanda, extraemos más carbón o bombeamos más gas natural a las plantas de energía de combustibles fósiles. Algunos lugares, como Bridgeport en Connecticut, tienen antiguas plantas de combustibles fósiles, a menudo de carbón, que mantienen cerradas la mayor parte del año y se encienden solo durante los picos de demanda. Obviamente, eso no funcionará en un futuro impulsado por energía renovable.

Hay dos soluciones sobre la mesa para el almacenamiento de energía entre estaciones, y ambas implican una inversión masiva en infraestructura: primero, podría construir tantos campos de paneles solares o tantas turbinas eólicas que podría producir mucho más de 20 veces la potencia de un día normal. El resultado: tendría mucho más exceso de energía en un día de baja demanda, pero al menos podría satisfacer la demanda en los días de máxima demanda. La segunda opción es obtener tantas baterías que puedan almacenar suficiente energía en exceso para que, incluso cuando pierdan la carga, todavía haya suficiente energía para hacer funcionar la red durante los días de máxima demanda.

Incluso si tanto la generación renovable como el almacenamiento fueran lo suficientemente asequibles para estos planes, y todavía no lo son, todavía hay otro muro económico que podría ser imposible de atravesar: la mayoría de las veces, su nueva planta de energía gigantesca y su flota de baterías serían inútil, porque la demanda máxima ocurre solo unas pocas veces al año. Ningún gobierno puede desperdiciar el dinero necesario para construir algo con tan poca utilidad.

Guárdalo de otra manera
Más allá de las baterías, existen otras formas mecánicas de almacenar energía. Uno es bombear agua a lagos elevados. Otro es comprimir aire con exceso de energía. Otro más es almacenar energía en forma de disco giratorio de alta velocidad. Pero, al igual que las baterías, ninguna de estas opciones puede almacenar energía entre temporadas.

Existe una opción para el problema interestacional llamado almacenamiento subterráneo de energía térmica. Funciona según un principio simple: no importa la temperatura sobre el suelo, a una profundidad de unos 15 metros, la temperatura en la mayoría de los lugares de la Tierra es aproximadamente la misma: 10 ° C (o 50 ° F). El suelo del planeta proporciona un aislamiento natural y, en teoría, podríamos usar ese aislamiento para almacenar energía.


Quartux han realizado proyectos piloto exitosos en todo el mundo que demuestran que puede instalar paneles solares que, después de llenar la red, utilizan el exceso de electricidad para calentar grava, productos químicos que transportan calor o agua almacenada en tanques a gran profundidad. Con suficiente aislamiento, el calor podría almacenarse durante meses, hasta que se necesite en los hogares cercanos, y entregarse a través de tuberías y bombas de calor. (Esta energía térmica también se puede convertir para hacer funcionar aires acondicionados, donde se necesita enfriamiento en lugar de calefacción).

Solo hay dos problemas cuando se trata de escalar: primero, es costoso de construir. Incluso si el costo de construcción y administración se redujera, si las ciudades y pueblos aún no han planeado la construcción de reservorios subterráneos (y la mayoría no lo ha hecho), entonces puede ser prohibitivamente exorbitante encontrar y asegurar el espacio. En segundo lugar, la solución solo funciona a escala local, porque el transporte de calor conlleva pérdidas naturales. Por lo tanto, cuanto más tenga que moverlo del lugar de almacenamiento, más pérdidas tendrá que afrontar.

Electrochaea ofrece otra opción, donde la energía renovable podría almacenarse indefinidamente y transportarse sin pérdidas.

La sustancia pegajosa verde
Si no le importa el olor, las plantas de tratamiento de aguas residuales son fascinantes. La planta de Copenhague absorbe toda el agua que se envía a los inodoros, baños y fregaderos de la cocina, y emite H2O que está casi lo suficientemente limpia para beber; solo se requeriría un paso más, me dijo el operador de la planta. Pero como la ciudad no tiene escasez de agua, la planta de tratamiento vierte su agua limpia pero no potable en el Mar del Norte.

Antes de eso, el agua pasa por docenas de pasos, incluido uno en el que se permite que la materia orgánica se asiente en el fondo de tanques grandes y abiertos. Este lodo, rico en moléculas que contienen carbono, se transfiere a un biorreactor sellado donde se agregan los microbios filtrados del suelo local. Si esto se hiciera en tanques abiertos, los microbios descompondrían la materia lentamente para producir dióxido de carbono. Pero, en el biorreactor, en ausencia de oxígeno, entra en acción un conjunto diferente de microbios. En su lugar, producen metano, el componente principal del gas natural.

La instalación toma el metano (y cualquier lodo restante que no se pueda descomponer) y luego lo quema en una planta de energía de biomasa. “Producimos más energía de la que consumimos para limpiar el agua que ingresa a nuestra planta”, dice Dines Thornberg, gerente de Biofos, la empresa en parte propiedad del gobierno que opera la planta de tratamiento.

Archaea especialmente criadas y cultivadas. Eso puede ser cierto. Pero el proceso aún contamina, ya que cierta degradación química ocurre independientemente de los microbios y crea dióxido de carbono. Para ayudar a Dinamarca a alcanzar los objetivos del acuerdo de París, Biofos quiere reducir su propia huella de carbono. Es por eso que la compañía le dio a Electrochaea un espacio valioso en su planta para construir la planta química a escala piloto que completa el trabajo que los microbios de Biofos no pudieron hacer: convertir el dióxido de carbono liberado en el biorreactor en metano. Para lograr esta asombrosa transformación, Electrochaea recibe ayuda de una vida microbiana llamada arqueas.

Las arqueas son las más antiguas de las tres ramas de la vida, que incluyen bacterias y eucariotas (que consisten en todos los demás organismos más avanzados, incluidos los humanos). Sus antiguas habilidades de supervivencia incluyen una que los humanos ahora podemos hacer un buen uso: la capacidad de absorber CO2 de forma natural y convertirlo en metano.

La mayoría de los científicos creen que la vida en la Tierra se formó en respiraderos hidrotermales, creados por volcanes submarinos. Las temperaturas pueden alcanzar los 400 ° C (750 ° F), mucho más altas que las del agua hirviendo. Pero el agua en las rejillas de ventilación no hierve y los gases que liberan las rejillas de ventilación, incluidos el dióxido de carbono y el hidrógeno, no explotan gracias a la tremenda presión aplicada por millas de agua de mar en la superficie. Algunas arqueas que viven en los respiraderos han aprendido a utilizar el dióxido de carbono como alimento, combinando el carbono (C) del dióxido de carbono (CO2) con el hidrógeno (H2) para formar y liberar metano (CH4). Los seres humanos hacen lo contrario, consumen alimentos ricos en carbono y los combinan con oxígeno, ambos disponibles en la tierra, para producir y expulsar dióxido de carbono.

La planta piloto de Electrochaea en las instalaciones de Biofos ocupa un área del tamaño de una cancha de tenis. Como es habitual en una fábrica de productos químicos, hay una maraña de tuberías de acero inoxidable con sensores y válvulas de control. Todas las tuberías conducen a un gran biorreactor cilíndrico, de unos 10 metros (30 pies) de altura, mantenido a 60 ° C (140 ° F) y ocho veces la presión atmosférica. A través de una pequeña ventana de vidrio en la parte inferior del biorreactor, puedo ver una mezcla burbujeante del color de un batido de aguacate. Esa es la especie de arquea patentada de Electrochaea, cultivada y criada para combinar de manera eficiente el dióxido de carbono y el hidrógeno para producir metano.

Biorreactor a escala de laboratorio de Electrochaea con arqueas que producen metano. Los gases inyectados en el biorreactor provienen de dos fuentes. La planta de tratamiento de aguas residuales envía una mezcla de dióxido de carbono y metano. Mientras tanto, dos electrolizadores del tamaño de un contenedor de envío utilizan electricidad renovable para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El oxígeno se envía a la atmósfera y el hidrógeno al biorreactor Electrochaea.

Los microbios son tan efectivos que en el tiempo que la mezcla de gases viaja desde la parte inferior del biorreactor hasta la parte superior, 99 de cada 100 moléculas de dióxido de carbono e hidrógeno se convierten en metano, agua y calor. El calor es útil: ayuda a mantener estable la temperatura dentro del reactor. Mientras tanto, a medida que las arqueas consumen CO2 y H2, se multiplican. Debido a que son especies que ocurren naturalmente, las arqueas adicionales se pueden simplemente verter en las alcantarillas, expulsadas por el agua que también se crea en el proceso.

El producto valioso de la reacción es el metano. De hecho, el material creado a través de este proceso es incluso más valioso que el metano típico. Es "metano renovable" o "biometano", porque el gas se produjo a partir de fuentes de combustibles no fósiles y sin energía de combustibles fósiles. Este metano se puede utilizar para hacer funcionar calderas en hogares, plantas de energía e incluso automóviles o autobuses. Es un combustible más limpio que el carbón y el petróleo, y produce la menor cantidad de emisiones por cada unidad de energía liberada. El metano también se puede almacenar muy fácilmente. De hecho, en toda Europa hay grandes almacenes subterráneos, conectados por tuberías que pueden transportar el gas de forma segura.

Cuando el sistema funciona a plena capacidad, las arqueas producen unos 50 metros cúbicos de gas natural por hora. Por cada unidad de energía eléctrica introducida en el sistema, produce alrededor de 0,75 unidades de energía almacenadas en forma de metano, según Doris Hafenbradl, científica en jefe de Electrochaea. Eso no es tan bueno como las baterías de iones de litio, que pueden alcanzar una eficiencia cercana al 100%. Pero a diferencia de la energía almacenada en las baterías, una vez que se produce el metano, se puede almacenar indefinidamente, porque no se degrada espontáneamente en otras sustancias químicas. Si este proceso pudiera ampliarse, podría resolver el problema de almacenamiento entre estaciones de energía renovable.

La planta de Electrochaea no necesita estar cerca de parques solares o turbinas eólicas, porque el exceso de electricidad se puede extraer de cualquier lugar de la red. Las limitaciones de ubicación se basan en el acceso al CO2. Las plantas de tratamiento de agua son un juego limpio y también lo son los productores de etanol (como las fábricas de cerveza y licores). Se podrían utilizar gases de escape de las centrales eléctricas, pero será necesario limpiarlos para eliminar las emisiones de azufre y partículas, que podrían dañar las arqueas.

Resolver problemas a escala
La planta de Copenhague es una de las tres en las que Electrochaea ha instalado con éxito su tecnología. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. Tiene una instalación en su campus en Boulder, Colorado, y la última es parte de un proyecto financiado por la Comisión Europea en Solothurn, Suiza. En última instancia, el modelo de negocio principal de Electrochaea es licenciar la tecnología. Actualmente, la compañía está cortejando a una compañía eléctrica húngara que quiere construir una planta diez veces mayor que la de Copenhague. Sería la más grande de la startup hasta el momento. Y el fabricante de automóviles Audi ha mostrado interés en la tecnología de Electrochaea como una forma de utilizar biometano en sus automóviles que funcionan con gas natural.

Electrochaea es uno de un número creciente de actores en la industria de "energía a gas". ITM Power and Hydrogenics, por ejemplo, fabrican electrolizadores que convierten el exceso de energía renovable en hidrógeno almacenable. Pero el hidrógeno no se utiliza tanto como el gas natural. Es por eso que empresas como Electrochaea, MicrobEnergy y ETOGas están apostando a que vale la pena dar un paso adicional para convertir ese hidrógeno en metano. MicrobEnergy, como su nombre indica, utiliza microbios para la conversión, al igual que Electrochaea. ETOGas, una startup apoyada por Hitachi, utiliza catalizadores metálicos.

Hacerlo de esta manera también les da a estas empresas un segundo modelo de negocio potencial: debido a que todos estos procesos implican inyectar dióxido de carbono en el sistema, podría resultar que sean contratados para instalar sus sistemas de energía a gas simplemente para reducir las emisiones de CO2 de una instalación, tenga o no un exceso de energía renovable.

Electrochaea aún no ha conseguido un cliente de captura de carbono. Y, sin duda, su tecnología es la captura y el reciclaje de carbono, no el almacenamiento ni la eliminación. El metano producido en el proceso eventualmente se volverá a quemar, y eso arrojará dióxido de carbono a la atmósfera. En otras palabras, simplemente retrasa la producción de gases de efecto invernadero, en lugar de eliminarlos.

Dicho esto, tiene cierto valor retrasar las emisiones. Cada molécula de CO2 que no se vierte a la atmósfera en este momento es una molécula de CO2 que no absorbe ni retiene el calor del sol. Por lo menos, Electrochaea y empresas similares pueden hacer su parte para salvar el planeta simplemente ayudando a cambiar la conversación sobre el dióxido de carbono, de tratarlo como un subproducto a considerarlo como una materia prima.

Puede suscribirse a nuestro boletín para obtener más historias sobre los desafíos y oportunidades de la tecnología de bajas emisiones. El informe fue apoyado por una beca del McGraw Center for Business Journalism de la City University of New York Graduate School of Journalism.