Pilas y baterías, imprescindibles en el amplio abanico de ventajas que ofrece una Smart City

Las Smart Cities ya son una realidad en plena expansión. Y con su propagación aparecen nuevas preguntas acerca de si la tecnología actual está preparada para la implementación a gran escala de estos modelos de ciudades.

El concepto de Smart City puede ser tan amplio como se desee, debido a que se pueden medir y actuar sobre infinitas variables en el seno de una ciudad. De esta manera podremos gestionar de forma mucho más eficiente la producción y demanda de energía a gran escala, siendo capaces de actuar sobre las curvas de generación y consumo. Este control permite flexibilizar la demanda energética en diferentes puntos de la ciudad para conseguir una curva de generación en grandes centrales mucho más plana. Además los valles de demanda (déficit/exceso de energía producida) se suministraran/almacenaran mediante diferentes actuadores como paneles solares, bancos de baterías o los propios battery packs de los vehículos eléctricos. Pero no solo se podrá actuar sobre la energía, sino que también sobre el tráfico por medio de un control a tiempo real de los semáforos, sobre la temperatura de un espacio en función del número de ocupantes, sobre la concentración de contaminantes en la atmosfera en un emplazamiento concreto, etc. Las posibilidades son muy amplias y todas ellas permiten un aumento importante en la eficiencia de diversos procesos.

Todo este seguimiento de variables como la temperatura, la ocupación, la concentración de CO₂, etc. se realiza mediante pequeños sensores (termómetros, cámaras con reconocimiento de imagen, sensores de gas, ...) repartidos por múltiples puntos de toda la cuidad objetivo. Estos sensores pueden funcionar como simples informadores, enviando los datos de una variable de forma periódica, que serán recolectados y procesados en un centro de control. O como actuadores, recogiendo y/o enviando datos, y siendo capaces de actuar sobre ciertos procesos para modificar la tendencia de esa variable, por ejemplo, actuando sobre semáforos y/o señales para modificar la ruta del tráfico si la concentración de gases contaminantes supera el límite permitido en una zona de la ciudad.

Este nuevo escenario presenta una serie de retos importantes en cuanto a tecnología se refiere, sobre todo si pensamos en el suministro eléctrico de estos dispositivos. El amplio número de sensores repartidos de forma deslocalizada por toda la Smart City hace que el suministro eléctrico tradicional, la red eléctrica, pueda resultar una infraestructura muy costosa y de difícil acceso. Es por ello que con objeto de abastecer dichos dispositivos se recurre a fuentes como las pilas primarias y baterías. Esto permite la inclusión de la fuente de energía en un dispositivo cerrado, que puede ser colocado en cualquier punto de la cuidad (o emplazamiento a controlar), semáforos, calles, suelos, etc. tanto en espacios cubiertos como al aire libre. En el caso de las baterías el elevado coste, la necesidad de recargas periódicas y el alto índice de auto-descarga (comparado con las pilas primarias) las convierte en oportunas solo para casos concretos donde el acceso sea sencillo y se requiera un alto número de cargas y descargas del sensor/actuador. Para el resto de los casos, la pila primaria se perfila como el candidato más adecuado debido a la facilidad de instalación en un dispositivo, la baja auto-descarga y larga vida útil, y alta flexibilidad en cuanto a forma, volumen y peso.

El consumo eléctrico de los citados sensores/actuadores es muy reducido, debido a que su uso se limita a medir y enviar una serie de datos de forma inalámbrica una serie de veces por minuto, hora o incluso día. Esto otorga una autonomía considerable al dispositivo, con lo que las pilas solo deberían ser sustituidas una vez cada 1-3 años, lo que conlleva un gasto de mantenimiento moderado. Pero, ¿son las tecnologías de almacenamiento electroquímico actuales capaces de satisfacer las necesidades eléctricas, económicas, modulares, etc., de esta gran cantidad de dispositivos?

Las baterías de metal-aire han demostrado tener el potencial de almacenar más energía que el resto de las tecnologías de almacenamiento electroquímico conocidas.

La respuesta no es cerrada. Si bien es cierto que las pilas primarias actualmente comerciales, como la pila alcalina o litio-cloruro, sí que son útiles en muchos casos, su baja energía específica y alto precio respectivamente, ponen ciertos impedimentos. Por ello, la solución pasa por desarrollar pilas con mayores energías específicas que permitan alargar los períodos de mantenimiento de los dispositivos hasta los 5 años, empleando materiales abundantes y económicos, para no comprometer el precio final del dispositivo.

En este marco de investigación, las baterías de metal-aire han demostrado tener el potencial de almacenar más energía que el resto de las tecnologías de almacenamiento electroquímico conocidas. En una batería o pila de metal-aire, el metal (como el zinc, el aluminio, el litio, etc.) reacciona con el oxígeno del aire para generar electricidad, lo que permite un ahorro de peso y volumen importante al no tener que almacenar el oxígeno, libre en la atmosfera. En función de los materiales empleados las baterías metal-aire pueden multiplicar en 5 o 6 veces la energía almacenada por unidad de peso y 7 u 8 veces por unidad de volumen, respecto a las tecnologías actuales.

Albufera Energy Storage nace como empresa con el objetivo de desarrollar la electroquímica del aluminio y tras dos años de trabajo hemos patentado una nueva pila de aluminio-aire. El aluminio es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, de fácil acceso, bajo precio y con procesos de reciclado bien conocidos. Para la reacción del oxígeno del aire se ha desarrollado un electrodo positivo basado en óxidos mixtos con base manganeso, que permite funcionar a la pila durante un elevado número de días en descarga continua. El electrolito está compuesto por sales disueltas en base acuosa, con pH neutro, por lo que resulta amigable con el medio ambiente. Se trata de una pila con una densidad energética superior a los 500 Wh/kg frente a los 150-180 Wh/kg del litio-ion o 120-160 Wh/kg de la pila alcalina. Es decir, a igualdad de peso la pila de Al-aire es capaz de entregar un 300% más de energía que una pila alcalina. El voltaje de la pila es de 1,4 V, semejante a las actualmente comerciales. De esta manera, se conseguirán autonomías en los sensores superiores a las proporcionadas por las tecnologías de almacenamiento electroquímico actuales, permitiendo alargar el mantenimiento a 5 años o periodos de tiempo incluso superiores. Además debido a la naturaleza y robustez de los componentes que integran el nuevo acumulador, el desensamblaje se torna sencillo, sin problemas de seguridad como en el caso de las pilas alcalinas, de litio o de plomo-ácido, y los materiales son reciclables en un porcentaje muy elevado. El aluminio es un material empleado en la construcción desde mucho tiempo atrás y los procesos de reciclado y reutilizado son bien conocidos, además los óxidos metálicos empleados en el electrodo positivo son recuperados, dando como único residuo el material carbonoso sobre el que se soportan estos catalizadores.

Esta nueva pila ha sido diseñada en formato pila botón, pero presenta facilidades para adaptarse a distintas formas. La entrada de oxígeno a la celda se da a través de micro-perforaciones en una de las caras de la pila o directamente empleando el electrodo positivo como envolvente. Esto permite diseñar dispositivos donde la pila vaya integrada en la envolvente del propio dispositivo. Se consigue así, gran cantidad de área de electrodos permitiendo almacenar gran cantidad de energía en un volumen ocupado muy bajo y con un peso del dispositivo muy ligero. La facilidad de dimensionar esta nueva tecnología permitirá diseñar a medida las necesidades energéticas de los diferentes sensores/actuadores que integrarán la ciudad inteligente del futuro.

Desde Albufera Energy Storage creemos que en un futuro no lejano, las Smart Cities, así como las Smart Grids y toda clase de procesos que involucren a personas y energía, podrán ser controlados para conseguir maximizar las eficiencias y permitir mejorar el bienestar actual sin sacrificar el porvenir de nuestros descendientes. Y coherentes a esta creencia trabajamos en nuevas tecnologías en el campo del almacenamiento energético, así como en tecnologías existentes, que permitan facilitar la entrada de todos estos sistemas y los que están por venir.