En primer lugar, independientemente de que se trate de energía de hidrógeno o de litio, ambas son soluciones de almacenamiento de energía. Ambas simplemente almacenan energía verde (energía solar, energía eólica, etc.) o energía fósil. No son «nuevas fuentes de energía».

¿Por qué Hidrógeno y Litio?

De acuerdo con la tabla periódica de elementos, el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro, o bien, el hidrógeno, litio, sodio, potasio, rubidio, cesio, francio son adecuados para las baterías. ¿Por qué las baterías de litio o las pilas de combustible de hidrógeno son relativamente famosas hasta ahora?
El helio, berilio, boro, sodio, potasio, rubidio, cesio y francio no son adecuados para las baterías porque carecen de las propiedades químicas necesarias para la creación de una carga eléctrica a través de una reacción con un electrolito. Estos elementos no son conductores eléctricos, no son lo suficientemente reactivos y, en algunos casos, son altamente reactivos y propensos a la combustión, lo que los hace inadecuados para su uso en baterías. Por otro lado, el hidrógeno y el litio tienen propiedades que los hacen adecuados para su uso en baterías. El hidrógeno puede utilizarse en pilas de combustible para producir electricidad a través de una reacción química, mientras que el litio es altamente reactivo y puede transferir electrones fácilmente, lo que lo hace ideal para su uso en baterías de iones de litio.

periodic table
periodic table（From https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）

Ventajas y Desventajas del Uso de Hidrógeno vs. Litio para el Almacenamiento de Energía

Hidrógeno

Ventajas

  • El hidrógeno tiene una densidad energética mayor en comparación con las baterías, lo que significa que puede almacenar más energía por unidad de peso.
  • El hidrógeno puede producirse a partir de una variedad de fuentes, incluyendo fuentes de energía renovable, lo que lo convierte en una opción potencialmente más sostenible para el almacenamiento de energía.
  • El hidrógeno puede usarse en vehículos con células de combustible, permitiendo una forma de transporte limpia.
  • En términos de almacenamiento de energía a gran escala, el almacenamiento de energía de hidrógeno tiene claras ventajas de costos sobre el almacenamiento de energía con baterías de litio.

Desventajas

  • Actualmente, el hidrógeno es más costoso de producir y almacenar en comparación con las baterías de iones de litio.
  • El almacenamiento de hidrógeno requiere tanques de alta presión o almacenamiento criogénico, lo que puede ser un desafío y costoso.
  • La producción y el transporte de hidrógeno también requieren una inversión significativa en infraestructura.
  • El gas de hidrógeno es propenso a la fragilización por hidrógeno, por lo que los contenedores para almacenar gas de hidrógeno requieren altos estándares de seguridad.

Litio

Ventajas

  • Las baterías de iones de litio son más ligeras y compactas en comparación con los sistemas de almacenamiento de hidrógeno.
  • Las baterías de iones de litio son una tecnología bien establecida con una cadena de suministro y una infraestructura de producción bien desarrolladas.
  • Las baterías de iones de litio tienen una mayor eficiencia de ciclo completo en comparación con los sistemas de almacenamiento de hidrógeno, lo que significa que se puede almacenar y utilizar más energía en comparación con la energía utilizada para producirla y almacenarla.

Desventajas

  • Las baterías de iones de litio tienen una vida útil limitada y pueden degradarse con el tiempo.
  • Las baterías de iones de litio pueden estar sujetas a fuga térmica y pueden representar un riesgo de incendio si están dañadas o no se mantienen adecuadamente.
  • Las baterías de iones de litio se fabrican principalmente con materiales que tienen recursos limitados y pueden no ser tan respetuosos con el medio ambiente como el hidrógeno.
  • La viscosidad del electrolito en las baterías de litio aumentará a bajas temperaturas, y la velocidad de conducción de iones disminuirá. Como resultado, la velocidad de migración de electrones del circuito externo no coincide, la batería se polariza severamente y la capacidad de carga y descarga se reduce drásticamente.

Valor Calorífico

Calorific value
Calorific value

El valor calorífico del hidrógeno es el más alto entre los combustibles comunes, llegando hasta 142KJ/g, lo que es aproximadamente 3 veces el de petróleo y 4.5 veces el de carbón. Si se convierte en batería, la densidad energética de las baterías de hidrógeno también será mayor, alrededor de 40kWh/kg, mucho más alta que la densidad energética de las baterías de iones de litio ordinarias de aproximadamente 0.25kWh/kg y del aceite combustible de aproximadamente 12kWh/kg.

Impacto Ambiental de la Producción de Hidrógeno y Litio

Producción de Litio:

  • La extracción y procesamiento de litio pueden tensionar los recursos hídricos en regiones áridas, donde se encuentran la mayoría de los depósitos de litio.
  • El procesamiento del mineral de litio puede liberar sustancias químicas tóxicas al medio ambiente.
  • El desarrollo de minas de litio puede llevar a la degradación del terreno y la destrucción de hábitats de vida silvestre.
  • La fuente de energía eléctrica para la energía de litio depende de la fuente de energía actual.
Shares of primary energy in Rapid
Shares of primary energy in Rapid

Producción de Hidrógeno:

  • La mayoría del hidrógeno se produce utilizando combustibles fósiles, lo que lleva a emisiones de gases de efecto invernadero y contaminación del aire.
  • La producción de hidrógeno mediante electrólisis puede ser intensiva en energía, lo que lleva a un aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero si la electricidad utilizada se genera a partir de fuentes no renovables.
  • Energías limpias y renovables como la energía eólica y la fotovoltaica, combinadas con la tecnología de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua, producen hidrógeno verde. Esto puede lograr limpieza y baja emisión de carbono a lo largo del ciclo de vida.

¿Cuáles son las aplicaciones potenciales del hidrógeno y el litio en la industria del transporte?

El hidrógeno se puede utilizar como combustible en vehículos de células de combustible, donde reacciona con oxígeno para producir electricidad, la cual alimenta un motor eléctrico. Se ve como una alternativa potencial a la gasolina y el diésel convencionales porque solo produce agua al quemarse y puede producirse a partir de fuentes de energía renovables. Los vehículos de células de combustible de hidrógeno son más adecuados como vehículos comerciales (camiones y autobuses, etc.).

  1. Debido a la insuficiente cantidad de estaciones de recarga de hidrógeno en varios países, no es práctico para vehículos de pasajeros comunes (coches familiares) repostar hidrógeno.
  2. Las rutas de los vehículos comerciales son generalmente fijas.
  3. El proceso de repostaje de hidrógeno puede completarse en tan solo 3-5 minutos, y estos vehículos pueden alcanzar una autonomía de hasta 850 km.
  4. Montacargas: Los montacargas en los almacenes de Amazon utilizan montacargas de células de combustible de hidrógeno, lo que reduce las emisiones de escape y el impacto acústico. El reemplazo del método de recarga energética del cilindro de hidrógeno también reduce significativamente el tiempo de carga.

El litio es un componente clave en las baterías utilizadas para alimentar vehículos eléctricos (VEs). Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en los VEs debido a su alta densidad energética y larga vida útil, lo que las hace adecuadas para su uso en vehículos. El litio también se utiliza en las baterías de vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEVs) y vehículos eléctricos con batería (BEVs).

¿Por qué las baterías de litio no son adecuadas para su uso en vehículos comerciales? Para dar un ejemplo práctico, la batería del modelo 3 pesa alrededor de 800 kilogramos, y la autonomía de la versión de menor gama es de aproximadamente 450 kilómetros, que en realidad debería ser cerca de 400 kilómetros. Para los vehículos comerciales, tomemos como ejemplo un cierto vehículo comercial eléctrico recientemente promovido por un OEM. La autonomía de un vehículo de 2.5 toneladas es de 190 km. Tomando como ejemplo un vehículo de 9.6 metros, con un peso total de 19 toneladas menos 7 toneladas de su propio peso, queda un peso de carga de 12 toneladas, pero la autonomía es solo de 190 km. Para alcanzar los 500 km (el umbral básico), se necesitarían al menos 3 toneladas de baterías, lo que también significa que se cargarían 3 toneladas menos de mercancías, y el costo ni siquiera se considera. Ahora, se ha propuesto una solución para construir estaciones de carga en ruta, pero la infraestructura necesaria es similar a la de una gasolinera, lo que sigue siendo un desafío para las empresas. Por lo tanto, los vehículos comerciales con batería básicamente no son prácticos.

Las baterías de litio tienen una densidad energética de alrededor de 220wh/kg. Solo las baterías semi-sólidas y de estado sólido podrían alcanzar 500wh/kg. Una vez que la densidad energética se duplique, los camiones eléctricos pesados serán viables, pero esto no se prevé en los próximos 5 años.