Baterías de arena: un desafío al reinado del litio

¿Podría la arena hacer que las baterías queden obsoletas? No en todas partes, pero sí en más lugares de los que se podría pensar.

Durante décadas, las celdas de iones de litio han dominado las conversaciones sobre el almacenamiento de energía. Alimentan teléfonos, coches y una parte cada vez mayor de la red eléctrica. Ahora, una familia de tecnologías que almacenan energía en forma de calor en partículas sólidas baratas e inertes —a menudo descritas como «baterías de arena»— está pasando de las demostraciones de laboratorio a los proyectos comerciales. Sus defensores sostienen que estos sistemas podrían desplazar a las baterías químicas en el almacenamiento de larga duración y la calefacción industrial, y una serie de demostraciones recientes ha convertido esa posibilidad en un caso de negocio concreto.

Cómo funciona una batería de arena

En su forma más sencilla, una batería de arena es un contenedor aislado lleno de un sólido fluido —arena de sílice, esteatita triturada o materiales granulares similares— que se calienta mediante electricidad procedente de fuentes eólicas o solares. Las partículas cargadas se almacenan en silos a alta temperatura (los modelos y prototipos han explorado temperaturas de hasta unos 1.100–1.200 °C). Cuando se necesita energía, se hace pasar aire caliente u otro fluido de trabajo a través de las partículas para extraer el calor y suministrarlo directamente para calefacción urbana y procesos industriales, o bien para accionar un ciclo de potencia que genere electricidad.

El sistema se basa en un puñado de innovaciones mecánicas: calentadores eléctricos eficientes para la carga, una forma de mover y almacenar partículas calientes con bajas pérdidas y un intercambiador de calor de partícula a gas que pueda transferir el calor rápidamente sin destruir los granos. Equipos de investigación han creado prototipos de componentes a escala de laboratorio y han desarrollado modelos computacionales para demostrar cómo estos elementos pueden diseñarse para funcionar conjuntamente a escala comercial.

Dónde las baterías de arena superan a las celdas químicas

• Coste de los materiales: La arena o la piedra triturada cuestan unas pocas decenas de dólares por tonelada, órdenes de magnitud más baratas que las materias primas minerales utilizadas en las celdas de iones de litio.
• Duración y escala: Los sistemas de almacenamiento térmico destacan cuando es necesario retener energía durante muchas horas o días. Los sistemas de iones de litio suelen estar optimizados para la estabilización de corta duración (de dos a cuatro horas), mientras que los sistemas basados en arena se diseñan para el almacenamiento de energía de larga duración (LDES) —normalmente de 10 a 100 horas. Esto se ajusta a las necesidades de las variaciones estacionales de la demanda y del calor para procesos industriales.
• Materiales y cadenas de suministro: Estos sistemas evitan las presiones geopolíticas y medioambientales concentradas ligadas al cobalto, el níquel y otros minerales para baterías.
• Calor industrial: Dado que las baterías de arena almacenan el calor directamente a altas temperaturas, pueden sustituir a los quemadores de combustibles fósiles en las fábricas o en las redes de calefacción urbana sin necesidad de un paso intermedio de conversión a electricidad, lo que mejora su utilidad general en las estrategias de descarbonización.

Estas ventajas explican por qué algunos investigadores describen el almacenamiento de energía térmica por partículas como una nueva generación de almacenamiento que va más allá de los límites de los sistemas de sales fundidas y las baterías de corta duración. Los modelos y los primeros prototipos indican una rentabilidad atractiva para aplicaciones que requieren gran capacidad durante periodos prolongados.

Avances en el mundo real: demostraciones y las primeras plantas a escala comercial

El laboratorio insignia de energías renovables del Departamento de Energía de EE. UU. ha sido un motor visible de este trabajo. Un equipo de allí ha creado prototipos de sistemas de partículas, ha publicado análisis revisados por pares y ha planificado una instalación de demostración en su campus de Flatirons con la intención de mostrar un funcionamiento de 10 a 100 horas y validar los componentes a escala. Los informes públicos del laboratorio destacan la promesa de la tecnología y el cronograma previsto para una demostración pionera durante 2025.

Mientras tanto, los despliegues comerciales centrados en el calor más que en la electricidad ya han alcanzado la escala municipal. En Finlandia, una empresa construyó un almacén térmico industrial basado en arena que ahora suministra calefacción urbana a un municipio; la instalación tiene una capacidad de almacenamiento declarada del orden de 100 MWh de energía térmica y fue puesta en servicio a mediados de 2025. Esa planta demuestra cómo el concepto puede utilizarse hoy en día para reducir el consumo de combustibles fósiles en las redes de calefacción.

No es una solución mágica: los límites realistas

Es importante ser precisos sobre dónde tienen sentido estos sistemas. Si el objetivo es un dispositivo móvil, un teléfono inteligente o un coche eléctrico, las baterías químicas siguen dominando porque suministran electricidad directamente con una alta densidad energética y formatos compactos. El almacenamiento en arena y partículas es voluminoso y estacionario; su punto fuerte es la capacidad rentable y de larga duración y el calor a alta temperatura, no la densidad energética volumétrica.

Cuando se trata de la conversión de electricidad a electricidad, los sistemas de partículas sí se enfrentan a pérdidas de conversión. Los trabajos de laboratorio y modelización de los equipos de investigación estiman que, si bien la energía térmica retenida en el silo de almacenamiento puede mantenerse por encima del 95 % durante varios días, la eficiencia eléctrica de ida y vuelta —una vez que se calientan las partículas y luego se vuelve a convertir el calor en electricidad mediante una turbina o un ciclo de Brayton— se modela comúnmente en el rango del 50–55 % para sistemas completos, tras contabilizar las pérdidas parásitas. Esto es inferior a la eficiencia eléctrica de ida y vuelta de un paquete de iones de litio, pero la contrapartida es un menor coste de capital por megavatio-hora de capacidad almacenada y la capacidad de almacenar energía de forma económica durante periodos mucho más largos.

Quedan otros retos de ingeniería. La abrasión de las partículas, el mantenimiento de la fluidización y la durabilidad de los intercambiadores de calor a altas temperaturas son áreas activas de investigación. La tecnología requiere nuevas infraestructuras industriales, prácticas operativas y vías de obtención de permisos, lo que significa que su escalado en muchos mercados llevará tiempo e inversión.

Qué significa esto para la red eléctrica y la industria

Visto en el contexto de la descarbonización, el almacenamiento térmico en arena y partículas cambia la conversación sobre dónde y cómo debe la sociedad desplegar el almacenamiento. Para equilibrar la variabilidad estacional o de varios días y para sustituir el calor fósil en la industria, estos sistemas presentan una vía de menor coste que la simple construcción de enormes flotas de baterías químicas. Para tareas de corta duración y alta potencia —respuesta en frecuencia, picos de carga rápida de vehículos eléctricos o aplicaciones móviles—, las baterías seguirán siendo la opción sensata.

En la práctica, un sistema descarbonizado se basará en una cartera de tecnologías de almacenamiento: baterías electroquímicas rápidas para respuestas de segundos a horas, energía hidroeléctrica de bombeo o aire comprimido donde la geografía lo permita, y sistemas térmicos o de almacenamiento de flujo de larga duración donde la duración y el coste sean importantes. La reciente investigación del NREL y los proyectos comerciales finlandeses no hacen que las baterías queden obsoletas, sino que amplían el conjunto de herramientas económicamente viables que pueden utilizar los operadores de red y los planificadores industriales.

Próximos pasos y qué vigilar

Cabe esperar actividad a corto plazo en tres áreas: primero, demostraciones de ingeniería que validen el rendimiento eléctrico de ida y vuelta de larga duración a escala de megavatios; segundo, despliegues industriales que desplacen la combustión para calor de proceso y calefacción urbana; y tercero, pilotos de mercado y políticas que prueben cómo participan estos activos en los mercados eléctricos y los servicios de capacidad. Las demostraciones financiadas con fondos públicos previstas para 2025 y la puesta en marcha de baterías de arena comerciales en 2025 ya están proporcionando la base de evidencia que los ingenieros e inversores necesitan para pasar de los experimentos a despliegues más amplios.

Para los planificadores de redes y estrategas energéticos, esta es una invitación a pensar más allá de la celda. Las baterías químicas seguirán siendo esenciales para muchos usos, pero el almacenamiento térmico de partículas añade una opción de bajo coste y larga duración que podría reducir materialmente la cantidad de metales escasos para baterías necesarios para lograr una descarbonización profunda.

James Lawson es reportero de ciencia y tecnología en Dark Matter, especializado en energía, espacio y computación emergente. Este artículo sintetiza artículos de laboratorio, informes de laboratorios nacionales y los primeros despliegues comerciales para explicar cómo el almacenamiento térmico de partículas complementa —y en algunos casos sustituye— a las baterías convencionales.