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Jun 11, 2023

Por qué los fabricantes de baterías para vehículos eléctricos tienen tanta hambre de energía limpia

En busca del lugar adecuado para su fábrica de materiales para baterías, Eric Stopka examinó 15 estados. La mayoría de los sitios no satisfacían sus necesidades esenciales. Algunas de esas necesidades son comunes a cualquier fabricante.

En busca del lugar adecuado para su fábrica de materiales para baterías, Eric Stopka examinó 15 estados. La mayoría de los sitios no satisfacían sus necesidades esenciales. Algunas de esas necesidades son comunes a cualquier fabricante (buen transporte, trabajadores disponibles), pero las otras se encuentran en una especie de cubo nuevo del siglo XXI.

"Tres de los cinco más importantes estaban relacionados con la energía", dijo Stopka, presidente de Anovion Technologies.

En primer lugar, la planta necesitaba una gran cantidad de electricidad. En segundo lugar, era necesario aumentar ese jugo rápidamente. Y en tercer lugar, en un acontecimiento que predice el futuro de la industria de las baterías en Estados Unidos, tenía que ser limpia.

"No quiero ser el tipo o la empresa que está arrastrando a la empresa que busca alcanzar cero emisiones netas", dijo Stopka.

La búsqueda de Anovion apunta a una realidad poco conocida de la nueva cadena de suministro de baterías para vehículos eléctricos. A medida que las fábricas entren en funcionamiento, tendrán un hambre voraz de electricidad, y no de cualquier tipo, sino de electricidad renovable y sin emisiones de carbono que otras industrias también están empezando a codiciar.

La tendencia es tan nueva que aún no se ha introducido en las proyecciones oficiales o académicas sobre el uso de energía. Plantea interrogantes sobre de dónde vendrá la energía para sustentar una nueva generación de fábricas de baterías para vehículos eléctricos y apunta a una nueva carrera industrial para aprovechar los frutos de las plantas eólicas, solares, nucleares e hidroeléctricas.

Los miembros de la nueva cadena de suministro de baterías anticipan que estarán bajo presión de sus clientes intermedios, especialmente los fabricantes de automóviles, para que fabriquen sus productos de manera más impecable que las industrias del pasado.

Eso es porque están naciendo en una nueva era. A medida que los gobiernos se toman en serio la tarea de controlar el cambio climático, las emisiones provenientes de la industria manufacturera enfrentan un escrutinio riguroso. Los reguladores europeos acaban de aprobar nuevas reglas para rastrear la huella energética de los materiales de las baterías hasta la mina. La Comisión de Bolsa y Valores de EE. UU. está redactando requisitos para que las empresas públicas informen sobre sus emisiones de carbono. Y la cadena de suministro de vehículos eléctricos está especialmente en el centro de atención debido al enorme papel de la industria automotriz en la economía y la importancia de los vehículos eléctricos como herramienta de lucha contra las emisiones.

La tendencia es clara: la cadena de suministro de baterías debe funcionar con energía limpia, incluso si el requisito real para hacerlo será en algún momento del futuro.

“Dentro de diez años, dentro de veinte años, queremos estar en un mundo diferente”, dijo Venkat Srinivasan, ingeniero químico del Laboratorio Nacional Argonne y director del Centro Colaborativo Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía.

“Así que debemos preguntarnos: '¿De dónde viene la energía para fabricar la batería?'”, continuó. "Si todos vamos hacia este futuro de energía limpia, y las baterías son el eje que lleva a todos allí, debemos asegurarnos de que ese eje utilice energía limpia".

Los ejecutivos de las empresas de la cadena de suministro de baterías que están construyendo fábricas en todo el país dijeron en entrevistas que la limpieza de la electricidad es una prioridad. En conjunto, Stopka cree que esta nueva cadena de suministro de baterías y vehículos "trascenderá cualquier crecimiento que hayamos visto en Estados Unidos en los últimos 150 años".

De hecho, la búsqueda de electricidad sin emisiones de carbono está empezando a actuar como una mano invisible que guía dónde se construyen fábricas (junto con décadas de empleo y crecimiento económico) y dónde no.

Y las empresas quieren mucha más electricidad de la que pueden encontrar.

“Aunque Estados Unidos tiene terrenos abundantes y baratos disponibles para el desarrollo industrial, los sitios que están realmente listos para proyectos con grandes demandas de electricidad son sorprendentemente escasos”, dijo un consorcio de la industria de baterías llamado Li-Bridge en un informe a principios de este año. Muchos, añadió, “necesitan sitios que tengan acceso a grandes cantidades de energía limpia y confiable”.

El impulso llega en un momento en el que es difícil trasladar la energía limpia desde su fuente a nuevos centros de demanda. Los grandes proyectos de energía eólica y solar se ven limitados por la falta de transmisión y las congestionadas colas de interconexión de la red.

Lo que está claro es que la fabricación de baterías consume mucha energía. Si bien hay estadísticas limitadas sobre el uso de energía de la industria en su conjunto, los estudios preliminares señalan que podría rivalizar con otros grandes usuarios de energía industriales y comerciales, como plantas químicas o centros de datos.

Fabricar 1 kilovatio-hora de batería (la unidad básica que determina la autonomía de un vehículo) requiere un aporte de 47 kWh de energía, según estimaciones de un estudio del Laboratorio Nacional Argonne.

Hace siete años, los investigadores de Argonne visitaron plantas de baterías en China y examinaron su uso de energía. Esas plantas utilizaban principalmente gas natural, lo que hace que los resultados del estudio sean sólo parcialmente relevantes para las plantas de baterías estadounidenses actuales que buscan funcionar mayoritaria o exclusivamente con electricidad.

Consideremos lo que sucede si los resultados del estudio se aplican a la batería del camión eléctrico característico de Ford Motor Co., el F-150 Lightning, que en su formato más grande tiene una batería de 131 kWh. Utilizando las estimaciones de Argonne, sintetizar una de esas baterías consumiría más de 6 megavatios de energía. Si todo esto fuera proporcionado por electricidad, sería suficiente para abastecer de energía a un hogar estadounidense promedio durante más de siete meses.

“Requiere algo de energía”, dijo Celina Mikolajczak, veterana en fabricación y directora de tecnología de baterías de Lyten, un fabricante de baterías de litio y azufre de California.

El proceso que utiliza Anovion para fabricar su producto es una ventana a las necesidades energéticas de la industria de las baterías.

La oferta de Anovion es grafito sintético. El grafito es uno de los ingredientes más voluminosos de una batería de iones de litio. La compañía recibió una subvención de 117 millones de dólares el otoño pasado del Departamento de Energía con financiación de la ley bipartidista de infraestructura de 2021. La producción de grafito está controlada abrumadoramente por China, y fabricarlo en el país podría aliviar los temores de que su disponibilidad desaparezca en una época de tensiones entre Estados Unidos y China.

La técnica de Anovion comienza con un material de desecho del petróleo llamado coque de aguja. Es “el último 15 por ciento del barril”, como dice Stopka.

La sustancia viscosa se vierte en crisoles o botes gruesos de uno o dos metros de largo hechos de metal y materiales cerámicos. Entonces una monstruosa corriente eléctrica los ataca, calentando el petróleo a más de 5.400 grados Fahrenheit, la mitad de la temperatura de la superficie del sol. Este asado dura casi un mes.

Cuando los crisoles se abren con ruido, lo que queda es grafito sintético, una sustancia gris con la consistencia de levadura en polvo que está lista para integrarse en la batería de un vehículo eléctrico.

Anovion es un ejemplo extremo de lo que hace que la fabricación de baterías sea un devorador de energía: la temperatura.

A partir de productos como el de Anovion es donde realmente comienza el proceso tradicional de fabricación de baterías. Se mezclan los polvos y se les agrega líquido, convirtiéndolos en un estado semilíquido conocido como suspensión. Luego, esa suspensión se pega sobre láminas de metal.

Una pequeña parte del uso de energía en la fabricación de baterías proviene de las máquinas que mezclan, enrollan y aplanan este material.

Pero su consumo de electricidad es nada comparado con el de otras máquinas clave: hornos y aires acondicionados.

Los hornos son esenciales para convertir la mezcla en un sólido que pueda soportar los rigores de operar durante años en un automóvil eléctrico. El calor elimina el agua y los productos químicos de la suspensión. Casi el 47 por ciento de la energía necesaria para fabricar una celda de batería proviene de este secado o recuperación del solvente, "debido al calentamiento prolongado y al enfriamiento de los gases de escape", según un estudio de 2021 realizado por el Worcester Polytechnic Institute y A123 Systems LLC. .

Incluso entonces, el secado no termina.

Algunos materiales de las baterías, particularmente el níquel, "cambian irreversiblemente por la exposición a la humedad", dijo Mikolajczak. Esto significa que para algunos materiales más delicados, todo el taller de ensamblaje de baterías debe estar encerrado detrás de láminas de plástico en una gran sala seca, donde los acondicionadores de aire funcionan constantemente para absorber la humedad del aire y mantenerla baja.

El estudio del Worcester Polytechnic dijo que otro 29 por ciento del uso de energía en la fabricación de baterías proviene de esos aires acondicionados. En total, más de las tres cuartas partes del uso de energía de una batería se destinan al control de la temperatura.

Esa calefacción genera enormes facturas de energía y contribuye sustancialmente al coste final de la batería.

"La temperatura es dinero", dijo Srinivasan, investigador de Argonne.

Los requisitos energéticos son la razón por la que los fabricantes de automóviles están buscando un santo grial que pasa desapercibido y conocido como tecnología de “celdas secas”. Como su nombre lo indica, implica fabricar el electrodo de la batería sin el uso de una suspensión, lo que podría reducir el uso de energía de la batería a casi la mitad.

Tesla Inc. considera que las pilas secas son clave para continuar su dominio en los vehículos eléctricos. La tecnología fue un objetivo clave cuando Tesla adquirió una empresa llamada Maxwell Technologies en 2019. Un año después, la compañía citó la tecnología de celda seca como una de las innovaciones clave para su nueva celda de batería 4680, cuyo objetivo es reducir la energía y la huella. de fabricar celdas de batería diez veces más.

"El electrodo seco es una pieza clave (una de muchas piezas) del rompecabezas para reducir el costo de las baterías de litio". Musk tuiteó en 2021, aunque no es fácil. "Se ha requerido una *inmensa* cantidad de ingeniería para llevar la prueba de concepto de Maxwell a una producción en volumen de alta calidad y todavía no hemos terminado", continuó Musk.

Tesla no respondió a una pregunta sobre sus planes actuales para implementar celdas secas.

Tesla no está sola: el mes pasado, Volkswagen AG dijo que se está preparando para ampliar una tecnología de celda seca, que según la compañía podría ahorrar cientos de millones de euros al año.

En Estados Unidos, los fabricantes de baterías no tienen que utilizar energías renovables ni energía libre de carbono. Entonces, ¿por qué sienten tanta urgencia por obtener esa electricidad sin añadir gases de efecto invernadero a la atmósfera?

Una respuesta, dijeron los fabricantes de baterías, es que comparten la misma ética que los fabricantes de vehículos eléctricos como Tesla, cuya intención es hacer que los tubos de escape queden obsoletos. Pero cuando se impulsa una nueva industria en una era en la que los gobiernos tienen la intención de reducir los gases de efecto invernadero, también es un buen negocio.

“Con el tiempo, se establecerán límites a la huella de CO2 por kilovatio-hora de producción de una batería”, dijo Gene Berdichevsky, cofundador y director ejecutivo de Sila Nanotechnologies, que está construyendo una fábrica de materiales para baterías en el estado de Washington.

"Si eres un fabricante de automóviles y necesitas mantenerte por debajo de cierto límite, y si estás por encima de ese límite, estás dispuesto a pagar más por un producto que te permita estar por debajo de ese límite", dijo.

Sila lo siente profundamente porque uno de sus principales inversores y clientes es Mercedes-Benz AG, el fabricante de automóviles alemán. Las regulaciones recientes adoptadas en la Unión Europea prometen realizar un seguimiento riguroso de la huella de carbono de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos europeos.

Para fabricar su producto, un ánodo en polvo a base de silicio, Sila “esencialmente cocina nuestros materiales” en hornos eléctricos, dijo Berdichevsky. Anticipando cómo las regulaciones de otro continente considerarían este uso de electricidad, Sila construyó su fábrica en una red eléctrica en el este de Washington que tiene abundante energía hidroeléctrica, que tiene una baja huella de carbono.

Este tipo de pensamiento está omnipresente en la joven industria de las baterías, dijo Mikolajczak, experto en baterías de Lyten, porque “energía” y “carbono” son sinónimos cuando se contempla un mundo sin emisiones de carbono.

"Cualquier ejecutivo está analizando la huella de carbono de su fábrica", dijo. “Esperarás que tu fábrica funcione durante 30 años y tendrás que suministrarle energía durante 30 años. De lo contrario, no será rentable y perderá dinero”.

Estos requisitos energéticos gemelos, voluminosos y limpios, están impulsando las conversaciones de las nuevas empresas de baterías con las empresas eléctricas y, a veces, incluso influyen en el lugar donde se construye una fábrica.

Aqua Metals Inc. es un reciclador de baterías cuya gran idea es recuperar minerales críticos de alta pureza de baterías gastadas. Las baterías viejas se cortan en un material llamado masa negra que "parece arena negra", dijo Steve Cotton, presidente de la compañía. La masa se sumerge en un líquido patentado y se le aplica una corriente eléctrica hasta que los metales deseados se depositan sobre una lámina de metal, proceso conocido como galvanoplastia.

En su planta piloto en Reno, Nevada, Aqua Metals pretende absorber 3.000 toneladas métricas al año de masa negra y producir minerales críticos por valor de 60 millones de dólares, incluidos cobalto, dióxido de manganeso, hidróxido de litio, níquel y cobre.

La galvanoplastia, como era de esperar, consume mucha electricidad. Cotton dijo “decenas de megavatios”, lo que da a la planta una huella energética similar a la de un centro de datos, uno de los tipos de negocios que más electricidad consumen.

La energía provendrá de NV Energy, la principal empresa de servicios públicos del estado, que ha prometido a la empresa un 40 por ciento de energía renovable. El 60 por ciento restante, dijo Cotton, provendrá de certificados de energía renovable, una especie de vale para energía limpia producida en otros lugares que a menudo se critica como una solución a medias.

"Hoy eso está bien, pero al final de la década, no podrás decir que eres cero neto a menos que puedas decir que cada electrón proviene de una fuente limpia", dijo Cotton. "Es por eso que nuestra planta va a tener energía solar masiva", probablemente alrededor de un megavatio distribuido en techos y marquesinas de estacionamiento en un campus de 5 acres, dijo.

El factor de la electricidad (tanto para suministrarla como para ahorrarla) también influyó en la elección del lugar por parte de Amprius Technologies Inc., un fabricante de celdas de batería de California. En marzo, anunció una nueva fábrica de 1,3 millones de pies cuadrados en las afueras de Denver, ubicada en un edificio gigante que solía ser un almacén de distribución para Costco Wholesale Corp.

La baja humedad de Denver reducirá las facturas de energía, dijo Kang Sun, director ejecutivo de Amprius. “Con los 300 días de luz solar que tienen”, añadió, “podemos aprovechar la energía solar y la energía eólica”.

Para Anovion, encontrar el lugar adecuado para una fábrica implicaba primero rechazar un lugar cuya red no estaba lo suficientemente limpia porque funcionaba en gran medida con combustibles fósiles.

“Ni siquiera el plan decenal estaba en un rango con el que nos sintiéramos cómodos”, dijo Stopka. En mayo, la empresa se instaló en Bainbridge, una ciudad de menos de 15.000 habitantes en el extremo suroeste de Georgia.

El sitio tenía atributos que atraían a Anovion. La fábrica puede construir un desvío en la línea de tren local y realizar envíos en barcazas por el cercano río Flint. Para contratar a sus 400 empleados, está en conversaciones con la escuela técnica local.

Stopka dijo que un gran atractivo es que una gran empresa de servicios públicos, Georgia Power, ha prometido entregar más energía sin emisiones de carbono con el tiempo. El estado tiene dos grandes plantas de energía nuclear y, en un plan aprobado por los reguladores el año pasado, Georgia Power se comprometió a agregar 2.300 MW de energías renovables para 2025.

Anovion es una de las docenas de empresas relacionadas con vehículos eléctricos que acuden en masa al sureste de EE. UU., donde han sido cortejadas agresivamente por funcionarios locales y donde la aversión cultural a los sindicatos puede reducir los costos laborales.

"La gente no piensa que esta parte del país es energía limpia", dijo Stopka. “Nos sorprendió gratamente.”

Como otras empresas de baterías, Anovion tiene prisa.

La compañía no dirá cuánta energía necesita, pero Stopka dijo que el sitio requerirá una nueva subestación y transformadores. Una vez que estén construidos, el proceso de convertir desechos de petróleo en materiales para baterías de vehículos eléctricos comenzará a escala. Es posible que se vuelvan a visitar los sitios que perdieron en la primera ronda, ya que Anovion tiene planes de construir una segunda gran fábrica y luego una tercera.

"Las empresas de servicios públicos que estaban dispuestas a comenzar y avanzar rápidamente obtuvieron una puntuación más alta con nosotros", dijo. "Cuando empiezas a construir es cuando el tiempo empieza a correr".