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Mar 20, 2023

¿Qué significan realmente las mejoras en la densidad de energía de la batería para camiones, barcos y aviones?

El futuro de todo el transporte terrestre y una gran cantidad de aviación y marina

El futuro de todo el transporte terrestre y una gran cantidad de aviación y transporte marítimo que sea eléctrico, bajo en carbono, más silencioso y mucho menos maloliente está al alcance de la mano. Sería de mala educación no extender la mano y agarrarlo con ambas manos.

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En el momento en que escribo esto, me faltan unas 30 horas para sentarme en un escenario con personas cuyo trabajo diario es la energía para barcos, frente a una gran audiencia de líderes técnicos globales para una importante empresa de transporte marítimo de propiedad privada europea. Están celebrando su cumbre técnica anual y me han invitado a debatir con los otros panelistas y sus expertos sobre cómo se descarbonizará realmente el transporte marítimo.

Por supuesto, como les diré, hay muy buenas razones para que se pregunten qué diablos estoy haciendo allí. A diferencia de casi todos los demás en la sala, no fabrico, vendo ni compro combustible para barcos. No compro, vendo ni opero barcos. No diseño barcos como lo hacen muchas de las personas en la audiencia. No especifico los requisitos de energía para los barcos, una vez más algo que hacen los asistentes.

Megatoneladas de transporte marítimo de combustibles fósiles antes de repostar, gráfico del autor

Pero estoy allí porque he hecho por el transporte marítimo lo que he hecho por la aviación, el hidrógeno, el acero, V2G y el almacenamiento en red. He pasado gran parte de mi tiempo analizando el espacio del problema, comparando todas las supuestas soluciones, proyectando curvas de oferta y demanda en un escenario razonable durante décadas y luego compartiendo lo que pienso con evidencia de apoyo. Dado que mucho de esto se trata de energía, significa que las cosas que aprendo en un dominio son aplicables en otro. Puedo polinizar ideas cruzadas un poco más fácilmente que las personas que pasan todo su tiempo trabajando en un dominio.

Por supuesto, eso significa que tengo que tener mucho cuidado de no ser un ejemplo destacado del síndrome de Dunning-Kruger, y a veces cometo errores que la gente me señala, pero en su mayoría son preocupaciones manejables con solo una pequeña orden secundaria de humillación ocasional. .

¿Qué tiene esto que ver con la densidad de energía de la batería? Bueno, una de las personas en el escenario mañana es un representante de Echandia Marine AB. Su trabajo diario es poner baterías en los barcos, algo que considero una gran cuña de descarbonización marítima. En mi proyección para 2100, todo el transporte terrestre y dos tercios del transporte marítimo de corta distancia funcionarán con baterías, y esas baterías se cargarán cada vez más con electricidad de bajo a cero carbono. Los recorridos más largos seguirán necesitando combustibles líquidos para este siglo, ya que es poco probable que se reemplacen 16,000 toneladas de combustible búnker con baterías para cruzar el Pacífico para 2100.

El material Echandia hace un punto de rango marino muy específico. Su sistema de batería es bueno para 40 millas náuticas (NM), unos 74 kilómetros. Eso no parece mucho, pero cubre muchos viajes en barcos y barcos grandes.

El sistema utiliza baterías de óxido de litio y titanio (LTO). Eso es lo que la compañía considera útil y vendible en este punto del viaje de descarbonización. Esa química no tiene una densidad de energía particularmente alta, pero tiene buenas tasas de ciclo y es buena para aplicaciones de gran consumo de energía. Bueno para los requisitos de potencia y torque marinos de hoy.

Breve digresión más nerd: cuando hablamos de densidad de energía y baterías, estamos hablando de vatios-hora por kilogramo (Wh/kg). El diésel funciona a unos 9.007 Wh/kg. El combustible de aviación Jet-A funciona con unos 7.778 Wh/kg. Por lo general, no se representan de esa manera, porque las personas que venden o usan combustibles fósiles en el transporte no usan unidades de electricidad.

Los grandes motores marinos y los grandes reactores son bestias absurdamente eficientes, lo mejor que se puede conseguir. Décadas de innovación enfocada, clientes exigentes e ingenieros brillantes tenderán a tener ese resultado. Pero los ciclos de Carnot, Diesel y Brayton tienen límites termodinámicos estrictos con los que chocan. Los grandes motores marinos convierten alrededor del 50% de la energía de sus combustibles en movimiento hacia adelante. Los motores a reacción modernos convierten el 55 % del queroseno que consumen en energía útil, al menos cuando se encuentran entre 30 000 y 38 000 pies funcionando a una velocidad de crucero óptima.

Eso significa que los motores marinos obtienen alrededor de 4.500 Wh/kg de energía útil del diésel, y los motores a reacción obtienen quizás 4.300 Wh/kg. Las baterías que usa Tesla tienen alrededor de 269 Wh/kg, y aunque los trenes de transmisión eléctricos son mucho más eficientes, no conviertan todo eso en movimiento hacia adelante, generalmente alrededor del 85%, o quizás 225 Wh/kg. Hay una gran diferencia entre 4300-4500 Wh/kg y 40-225 Wh/kg. El diésel y el queroseno Jet-A funcionan aproximadamente 20 veces más densos en energía que las baterías que usa Tesla, dadas las diferencias de eficiencia y, obviamente, un factor más importante para las baterías LTO de Echandia.

Pero aquí hay una historia que vale la pena contar. Las baterías que usa Tesla tienen tres veces la densidad de energía de LTO, lo que significa que usar las mismas baterías en barcos, como ya lo están haciendo algunas personas, dará como resultado un alcance de aproximadamente 120 NM con los mismos tamaños de batería. No mucho más emocionante que 40 NM, pero un poco más interesante.

Recientemente, dos empresas diferentes hicieron algunos anuncios sobre la densidad de energía de las baterías. CATL de China, el líder mundial en baterías para vehículos eléctricos con el 37 % del mercado, y Amprius, una startup de Silicon Valley que en realidad está enviando productos de baterías, afirmaron 500 Wh/kg, aproximadamente el doble de la densidad de energía de Tesla.

Doble Tesla para transporte marítimo, y esas 120 NM se convierten en 240 NM. Mmm. Eso es cubrir muchas más rutas marítimas. Pero aún no hemos terminado.

También ha habido avances muy interesantes, una vez más, en EE. UU. y China. El silicio es una de las químicas del santo grial en las baterías. Tiene potencial para 2.600 Wh/KG. Después de tener en cuenta los cálculos de eficiencia, eso es aproximadamente la mitad de lo que obtienen el transporte marítimo y la aviación en la actualidad. Y es unas cinco veces lo que han anunciado CATL y Amprius.

Para el transporte marítimo, eso significa quizás 1.200 NM de alcance. Y eso cubre todas las distancias de navegación interior y dos tercios de las distancias marítimas cortas. No empujará un contenedor o un barco a granel a través del Atlántico o el Pacífico con él, pero empujará un buque de carga rodada (roro) o mercante a través de casi todas las rutas programadas del mundo.

Como le preguntaré a la audiencia de Stena Sphere, "¿Hay alguna ruta programada de Stena Line que tenga más de 1200 millas náuticas?" Estoy bastante seguro, después de haber visto sus rutas programadas en un mapa, que la respuesta es no. Pero no estoy familiarizado con su negocio, por lo que podría haber uno o cinco. La mayoría, sin embargo, está muy por debajo de eso.

Por cierto, la mayoría de las baterías estarán en contenedores de envío. Así es como las principales firmas de almacenamiento de baterías como Tesla, Convergent Energy + Power y Wärtsilä sirven a la red y grandes despliegues detrás del medidor los envían ahora, preempaquetados, configurados y cableados, para que se coloquen en una losa, enchufados , y simplemente trabajar. A medida que el transporte marítimo a granel se desplome a medida que el 40 % de la carga a granel que proviene de combustibles fósiles se reduzca a una fracción de sus volúmenes actuales, y el 15 % del mineral de hierro en bruto se procese localmente mucho más, una proporción aún mayor del transporte marítimo se transportará en contenedores. Y los portacontenedores y los puertos ya manejan contenedores que deben estar enchufados, aunque actualmente consumen energía para refrigeración. Los barcos y los trenes compartirán baterías en contenedores, y se cargarán principalmente en los puertos de transbordo, aunque los trenes también tendrán frenado regenerativo y líneas aéreas de catenaria que alimentarán energía a las baterías parte del tiempo.

Bien, eso es Echandia a 40 NM, Tesla-for-marine a 120 NM, CATL/Amprius a 240 NM y silicio a alrededor de 1200 NM. El 240 NM podría estar en barcos el próximo año o el año siguiente. El silicio podría estar en los barcos en una década, fácilmente, según los niveles actuales de preparación tecnológica. Rango de ansiedad alguien?

¿Cómo se desarrolla esto en la aviación? Bueno, las densidades de energía de Tesla ya son buenas para 300 kilómetros de despegue, vuelo y aterrizaje sin desviar o reservar energía. Varias empresas están utilizando sistemas híbridos en los que el combustible de aviación sostenible (SAF) puede alimentar un generador para desvío y reserva, por lo que podrán funcionar con baterías el 95 % del tiempo, lo que supone un paso muy sólido hacia el futuro. .

El anuncio de CATL y Amprius lo sitúa en 600 kilómetros. Silicon pone eso en 3.000 kilómetros. ¿Sabes a qué distancia están Gander, Terranova e Irlanda? 3.000 kilómetros. Sí, eso es alucinante. La tecnología que se ha demostrado hoy podría volar un centenar de almas a través del Atlántico norte. De ahí mi proyección de que para 2070, cruzar océanos será completamente viable con aviones eléctricos a batería, y luego pasaremos los próximos 30 años apagando aviones que queman combustible.

¿Qué pasa con el transporte por carretera? Bueno, el Tesla Semi está siendo usado por Pepsi hoy. Tiene un rango de 800 kilómetros demostrado, pero no probado por terceros, cuando se carga con una combinación razonable de cosas. Pepsi ha recorrido 800 km con chips y 640 km con flats de agua de sentina carbonatada con gas. Pero usemos los 800 km de autonomía. Los anuncios de CATL/Amprius hacen que unos 1.600 km de alcance, aproximadamente la mitad de un gran semirremolque diésel de EE. UU. en la actualidad. El silicio da el potencial para 8.000 km, lo cual es una tontería. Lo que sucederá a medida que aumente la densidad de energía de la batería es que los camiones tendrán baterías más pequeñas físicamente, y toda esta tontería sobre el peso de los camiones eléctricos con batería desaparecerá.

Así que para resumir:

Esto no es magia. Ya ni siquiera es ciencia. Esto es solo ingeniería. Como dijo David Cebon, director del Center for Sustainable Road Freight y profesor de ingeniería mecánica en Cambridge, cuando hablábamos la semana pasada, se trata de llevar electricidad a los cargadores, no a las baterías de los vehículos. Se trata del sistema, no de los componentes.

El futuro de todo el transporte terrestre y una gran cantidad de aviación y transporte marítimo que sea eléctrico, bajo en carbono, más silencioso y mucho menos maloliente está al alcance de la mano. Sería de mala educación no extender la mano y agarrarlo con ambas manos.

es miembro de los consejos asesores de la startup de aviación eléctrica FLIMAX, estratega jefe de TFIE Strategy y cofundador de distnc technologies. Presenta el podcast Redefining Energy - Tech (https://shorturl.at/tuEF5), parte del galardonado equipo Redefining Energy. Pasa su tiempo proyectando escenarios para la descarbonización de 40 a 80 años en el futuro y ayudando a ejecutivos, juntas e inversores a elegir sabiamente hoy. Ya sea reabastecimiento de combustible para la aviación, almacenamiento en la red, vehículo a la red o demanda de hidrógeno, su trabajo se basa en los fundamentos de la física, la economía y la naturaleza humana, y está informado por los requisitos de descarbonización y las innovaciones de múltiples dominios. Sus posiciones de liderazgo en América del Norte, Asia y América Latina mejoraron su punto de vista global. Publica regularmente en múltiples medios sobre innovación, negocios, tecnología y política. Está disponible para la Junta, asesor de estrategia y compromisos para hablar.

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