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El avance tecnológico en baterías secundarias


Las baterías secundarias son activos cada vez más atractivos desde un punto de vista técnico, y también económico, pues abren la puerta a nuevos modelos de negocio que están todavía por explorar.

Solución modular en base a baterías de flujo ( RedFlow Energy Storage Solutions). Solución modular en base a baterías de flujo ( RedFlow Energy Storage Solutions). Fuente: Díaz-González F, Sumper A, Gomis-Bellmunt O (2016) Energy storage in Power Systems. John Wiley and Sons, pp. 314.

El rápido avance tecnológico del almacenamiento electroquímico está transformando diversos ámbitos como la electrónica doméstica, el transporte y las redes eléctricas. Las baterías secundarias son activos cada vez más atractivos desde un punto de vista técnico, y también económico, pues abren la puerta a nuevos modelos de negocio que están todavía por explorar.

Una batería es un sistema de almacenamiento de energía electroquímico en el cual la energía se almacena en forma de energía química. A través de reacciones de oxidación y reducción en un medio que llamaremos celda electroquímica, esta energía química se convierte en energía eléctrica, la cual es intercambiada con el sistema al cual la batería está conectada. Las reacciones químicas se producen en los dos electrodos de la celda electroquímica, llamados ánodo y cátodo. Estas reacciones químicas resultan en un potencial eléctrico entre los electrodos, potencial que motiva el transporte de los productos de dichas reacciones químicas entre ánodo y cátodo. En particular, los productos de las reacciones son partículas con carga eléctrica no neutra (iones) y electrones libres. Los electrones fluyen a través de la carga o fuente de energía a la cual estemos conectando la batería, constituyendo una corriente eléctrica, mientras que los iones fluyen a través de la propia celda electroquímica, en un medio llamado electrolito.

 

 

 Celda electroquímica

 

Los materiales que conforman el electrolito y los electrodos son de tal importancia que dan nombre a las tecnologías de baterías que se pueden encontrar en el mercado actualmente. Por ejemplo, una batería de plomo-ácido es tal que sus electrodos están formados por compuestos en base al plomo, y estos reaccionan con el material del electrolito, el cual es una solución de ácido sulfúrico. Similarmente, una batería de níquel-cadmio es aquella en que uno de los electrodos está formado por un compuesto en base al níquel, y el otro en base al cadmio.

Las baterías están compuestas por una disposición determinada de celdas electroquímicas conectadas entre sí, de acuerdo a los requerimientos de tensión y corriente deseados como dispositivo final. A medida que la celda se va descargando, la tensión decrece hasta un valor mínimo admisible. La capacidad de almacenamiento de energía, expresada habitualmente en amperios-hora, Ah, depende de las condiciones de descarga y queda limitada precisamente por esta tensión mínima de operación. El estado de carga se define así como el porcentaje de energía en la celda respecto al valor en estado de carga máxima.

Para maximizar la capacidad de energía de la celda, es fundamental disponer de una diferencia de potencial eléctrico máximo entre los electrodos de las celdas electroquímicas. Para ello, se adoptan materiales de ánodo y cátodo con estados de energía muy diferentes cuando reaccionan químicamente. Con la tecnología actual, en estado de plena carga, en reposo y en vacío, se obtiene la tensión máxima o de circuito abierto, la cual varía entre 1 y 4 voltios en función del tipo de celda.

Cuanto mayor sea la tensión de celda, y menor el peso de los componentes que participan en las reacciones químicas, mayor será la energía específica teórica (en Wh/kg) de la celda. Luego, y añadiendo el peso del encapsulado de la celda, bornes metálicos, sistemas de protección, y todo aquello necesario para tener una celda practicable, se puede calcular la energía específica real (también en Wh/kg), que resulta en un valor mucho menor que su equivalente teórico, con la tecnología actual.

Similarmente, se define potencia específica como el ratio W/kg para las celdas electroquímicas. Este valor hace referencia a la corriente máxima que puede proveer la celda en función del peso de la misma, y es una prestación que varía en gran medida con la tecnología utilizada.

Atendiendo a estos factores, y a otros tales como temperatura de operación de celda, seguridad de uso, ciclabilidad, modularidad, etc., la industria ofrece, y avanza continuamente en el desarrollo de tecnologías que abren la puerta al uso de las baterías secundarias en un mayor número de aplicaciones. La Tabla 1 compara cuantitativamente diversas características de varias tecnologías de baterías secundarias comercialmente disponibles. Como se puede observar, y en términos generales, las opciones más establecidas en el mercado se agrupan en 4 grandes familias: baterías de plomo-ácido, alcalinas, de sales fundidas y de litio-ión.

De la comparativa general de estas 4 familias se derivan los siguientes puntos clave:

- Las baterías de plomo-ácido son las más maduras de entre las elegibles. Los casi 160 años de desarrollo en este tipo de baterías han permitido disponer de sistemas a un coste reducido, robustos, de bajo mantenimiento y fácilmente modulables. Tanto es así que resultan como la primera opción en numerosas aplicaciones industriales estacionarias (sistemas de alimentación ininterrumpida, bases de telecomunicaciones, accionamientos eléctricos, etc.), como también para la integración de energías renovables en sistemas de autoconsumo, por ejemplo. Los inconvenientes de esta tecnología recaen en una energía específica muy reducida, así como la vida útil (expresada como ciclabilidad), además de una gran dependencia de las prestaciones con la temperatura de operación.

- Las baterías de níquel-cadmio son centenarias también, como las de plomo-ácido. Ambas representan las opciones de menor coste entre las elegibles en el mercado. Estas baterías, que se incluyen dentro de las llamadas baterías alcalinas, ofrecen unos regímenes de carga y descarga mayores que las de plomo ácido, alcanzando incluso eventuales corrientes de descarga 10 veces mayores a la corriente de descarga nominal (indicado en la tabla como régimen de descarga 10C). Otra de las ventajas de esta tecnología es el amplio rango admisible de temperatura de operación, así como el bajo mantenimiento. Entre los puntos débiles de este tipo de baterías, destaca la muy baja tensión de celda (1,3 V), así como la reducida ciclabilidad. También destaca el hecho de que la autodescarga de este tipo de baterías es muy acusada, pudiendo llegar incluso a disipar la totalidad de la energía almacenada en un mes, si no se compensan efectivamente las pérdidas. Más aún, se indica que debido a que el cadmio (y el plomo) son materiales cancerígenos, la legislación vigente en materia de reciclaje es más estricta con estos tipos de baterías (ver, por ejemplo, la legislación de la Comisión Europea del año 2012, http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A52012SC0065 ).

- En contraposición a las tecnologías más maduras, de bajo coste (y también de reducidas prestaciones), como son las baterías de plomo-ácido y las de níquel-cadmio, en el mercado podemos encontrar dos familias de baterías más jóvenes, y que ofrecen unas prestaciones mayores: las baterías de sales fundidas y las de litio ion. Estas baterías ofrecen, entre otros, mayores tensiones de celda (hasta 2,6 V para ciertos tipos de baterías de sales fundidas y hasta 3,7 para algún tipo de baterías de litio ion). Las baterías de sales fundidas se caracterizan por tener una gran eficiencia energética (cercana al 90%), así como una remarcable ciclabilidad y modularidad. Esta gran modularidad, además de la casi nula autodescarga, definen este tipo de baterías como candidatas para aplicaciones estacionarias en las que se requiere obtener hasta decenas de megavatios de potencia durante varias horas en aplicaciones estacionarias. De hecho, es en aplicaciones estacionarias donde se propone su uso, principalmente. Esta decisión se argumenta también por una característica fundamental y diferenciadora para estas baterías: la temperatura de operación ronda los 300ºC.

- Finalmente, con una incluso mayor eficiencia energética que las baterías de sales fundidas, las baterías litio-ion copan el primer puesto en investigación y desarrollo tecnológico actualmente en almacenamiento de energía, así como la exploración de nuevas aplicaciones. Elevada vida útil (hasta 10 años), tensión de celda y modularidad son prestaciones definitorias de estas baterías. Pero sin duda, son la capacidad de admitir elevados ratios en corrientes de carga y descarga, y la alta energía específica (en Wh/kg), dos de las prestaciones por las que las baterías de litio-ion se proponen como fuentes de energía para aplicaciones no estacionarias (por ejemplo, dispositivos móviles y vehículos eléctricos). Como figura de mérito, remarcar que la energía específica real de baterías de litio-ion puede alcanzar en torno a los 150 Wh/kg, de acuerdo con los ejemplos reales que se reportan en la tabla 1, y la energía específica teórica superaría incluso los 800 Wh/kg. Estos números son mucho mayores que para las maduras baterías de plomo-ácido (24 Wh/kg energía específica real, y 170 Wh/kg el equivalente teórico).

Así, el gran potencial de mejora de las baterías de litio-ion justificaría el hecho de que, por ejemplo, aproximadamente la mitad de los 1.267 proyectos recogidos por la base de datos www.energystorageexchange.org (base de datos mantenida por el Ministerio de energía de Estados Unidos, y relativa a la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía en redes y sistemas eléctricos en el mundo), giren en torno a tecnologías de litio.

De igual manera, y como se ha introducido anteriormente, la alta energía específica de las baterías de litio justifica su aplicación en vehículos eléctricos. Para explicar un poco más este aspecto, se propone el siguiente y sucinto cálculo.

 

Pack de baterías de litio-ion de un Nissan Leaf. Fuente: http://www.corporateknights.com/channels/transportation/electric-vehicle-battery-costs-rapidly-falling-study-14307264/

 

Un vehículo utilitario compacto puede ofrecer 1100 km de autonomía con 45 litros de gasolina en el tanque. Atendiendo a la densidad de la gasolina, 680 kg/m3, resultarían 30,6 kg de masa de combustible. Para el vehículo de combustión interna consideramos también una eficiencia energética tanque de gasolina – rueda del 25%, y un poder calorífico de la gasolina de 32,2 MJ/l. Por otro lado, considerando una energía específica media de un pack de litio de aproximadamente 120 Wh/kg, una eficiencia energética batería – rueda del 75% y una profundidad de descarga máxima de la batería del 80% respecto a su capacidad nominal. La pregunta es cuál sería la masa del pack de baterías de este vehículo compacto en versión eléctrico, para que se obtuviera la misma autonomía que con el tanque de gasolina.

La respuesta a esta pregunta la calculamos en dos pasos. En primer lugar calcularemos la parte de energía de los 45 litros de gasolina que llega efectivamente a la rueda del vehículo:

Energía_rueda = 45 l x 32,2 MJ/l x 1000 kJ/MJ x 1 h / 3600 s x 0,25 (eff.) = 100,6 kWh

Esta es la energía que debería proveer el pack de litio-ion a la rueda del vehículo para desplazarlo 1100 km. Teniendo en cuenta la profundidad de descarga máxima de la batería y su eficiencia, el pack de baterías debería estar dimensionado en:

Energia_pack = 100,6 kWh / 0,75 (eff.) / 0,80 (profund.) =167,7 kWh

Finalmente, un pack de baterías de esta capacidad de energía, tendría una masa de 167,7 kWh / 0,120 kWh/kg = 1397,5 kg.

Esta es sin duda una masa inadmisible para este pack de baterías que proporcionaría 1100 km de autonomía. La masa de este pack resultaría casi tan elevada como la masa del vehículo compacto en versión gasolina. Es por ello que lo principal es mejorar las prestaciones de las baterías de litio-ion, como paso fundamental para el despliegue definitivo de la electrificación del transporte. En cualquier caso, el litio-ion es la mejor opción actualmente. Rehaciendo el cálculo anterior para plomo-acido (energía específica de 24 Wh/kg), resultaría una masa del pack de baterías de casi 7 toneladas; totalmente impracticable.

Tendencias: tecnologías futuras y jóvenes realidades

Las baterías de litio-ion son sin duda la tecnología que atrae más interés a nivel de innovación tecnológica, pues la mayoría de progresos en este sentido resultan en productos que pueden llegar al mercado en un tiempo relativamente corto. Sin embargo, atendiendo a la necesidad de mejorar las prestaciones del almacenamiento electroquímico, la comunidad científica avanza también en el desarrollo de nuevas electroquímicas. En este sentido, algunas de las principales líneas de investigación a día de hoy se centran en el desarrollo de baterías en base a dos elementos, el azufre y el oxígeno. El interés en estos dos elementos es, por un lado, la abundancia de los mismos en la Tierra, y por otro lado, la alta energía específica que se podría llegar a conseguir en la práctica. En efecto, la energía específica real de las baterías de litio-azufre podría llegar a alcanzar 400 Wh/kg. Este valor mejoraría sustancialmente la energía específica actual de las baterías de litio-ion.

En referencia al oxígeno, destacar también el potencial de las baterías conocidas como metal-aire. La idea aquí es utilizar un ánodo de un metal como zinc, aluminio, hierro, magnesio, incluso litio, que reacciona con el oxígeno en la celda electroquímica. Algunos de las combinaciones con más desarrollo son las de aluminio-aire y las de litio-oxígeno. Estas baterías prometen una energía específica superior a las de litio-ion (2400 Wh/kg y 1700 Wh/kg límites teóricos respectivamente), además de bajo coste y fácil reciclado, aprovechando la abundancia del mineral aluminio y madurez tecnológica de la industria metalúrgica asociada. Estas prestaciones técnicas, entre otras, podrían impulsar definitivamente el ámbito de la electromovilidad. Una prueba en relación al interés que atrae esta tecnología es el hecho que Tesla Motors ha estado registrando patentes desde el año 2010 en metal-aire. La última, en enero de 2017 (número de publicación US9559532 B2), acerca de los métodos de carga de baterías de metal aire.

Las electroquímicas de metal-aire y litio-azufre se consideran como tecnologías de futuro, o de un futuro próximo en cualquier caso. No obstante, y para completar el catálogo de opciones presentadas hasta ahora, es conveniente incorporar un último punto acerca de una relativa joven realidad, como es la de las baterías de flujo.

En las baterías de flujo, a diferencia de los tipos presentados anteriormente, los electrolitos no se encuentran en la propia celda electroquímica continuamente, sino que son bombeados desde dos tanques (uno para el cátodo y otro para el ánodo) externos a la celda. La cantidad de sustancias electroquímicamente activas determina la capacidad de energía de una batería, y en caso de las baterías de flujo, esta queda determinada directamente por el tamaño de los tanques electrolíticos. Contrariamente, la capacidad de potencia la determina la dimensión y número de celdas de la propia batería (no de los tanques) y de la electrónica de potencia asociada. Así, las dos variables de diseño (capacidad de energía y potencia) resultan variables independientes, y esto proporciona una gran flexibilidad de diseño, sobre todo pensando en aplicaciones estacionarias.

Básicamente, en el mercado se pueden encontrar dos químicas para baterías de flujo: las baterías de vanadio y las de zinc-bromo, tecnologías que ofrecen tensiones de celda de hasta los 1,7 V. En términos generales, se puede asegurar que la autodescarga es prácticamente nula en las baterías de flujo, y pueden ser descargadas totalmente sin acentuar la degradación de las celdas. La ciclabilidad también es una de las principales prestaciones de esta tecnología. Por ejemplo, las baterías de vanadio pueden ser cargadas y descargadas más de 10.000 veces, alcanzando una profundidad de descarga del 100%, de acuerdo con el fabricante redT. En cuanto a la eficiencia energética, cabe destacar que no resulta tan elevada como para las baterías de litio-ion, por ejemplo, pero resulta aceptable, en torno al 80% a temperatura ambiente.

Las baterías de flujo están fabricadas en buena parte utilizando materiales reciclados, lo cual es un punto a su favor en términos medioambientales. Además, requieren, por lo general, de muy poco mantenimiento. Otros aspectos de operación incluyen la necesidad de periodos de precarga de la batería, ya que en estado de desconexión la tensión de celda es 0 V. Las baterías de flujo encuentran aplicación en sistemas modulares del orden de MW de potencia y MWh de capacidad de energía. En este sentido, pueden ser buenas candidatas para la integración en red de las energías renovables de carácter intermitente.      

Pero, ¿para qué sirven?

Las baterías recargables han encontrado históricamente numerosos ámbitos de aplicación, ya sea en el sector doméstico como en el industrial. Ejemplos claros pueden incluir desde los teléfonos móviles, sistemas de alimentación ininterrumpida, electrónica de consumo en general; accionamientos industriales para máquinas eléctricas, tracción de maquinaria, acumuladores de energía estacionarios para procesos industriales varios,… También en el sector del transporte se tienen aplicaciones claras (provisión de energía en trenes y barcos, alimentación para consumos auxiliares en vehículos por carretera,…) Y desde un tiempo a esta parte es exponencial el uso del almacenamiento electroquímico en vehículos eléctricos (bicicletas, motocicletas, vehículos utilitarios, de transporte de mercancías, de transporte público,…)

Pero el avance tecnológico de las electroquímicas abre la puerta a nuevos negocios también, algunos de ellos en el sector de las redes eléctricas. Para estos nuevos negocios, en términos generales el mensaje a transmitir es que la tecnología está hoy ya disponible, a un coste que decrece año a año y que resulta ya competitivo en algunos casos. Potenciales inversores, ante este escenario, estarían explorando precisamente esas condiciones que aseguren la competitividad de los negocios que se pudieran formular. Respondida esta cuestión, el almacenamiento de energía resultará una herramienta fundamental para una transición del sistema energético actual a un modelo descarbonizado, dominado por las energías renovables. Estos inversores podrían ser los propios operadores de las redes eléctricas y los generadores, pero también los consumidores domésticos, comunidades o la industria. Por ejemplo, un operador de una red de distribución podría adoptar sistemas de almacenamiento para limar picos de potencia debidos a la variabilidad de las renovables y a distribuir por una infraestructura, que sin este almacenamiento, debería ser reforzada con más cables y equipamiento. Similarmente, un operador de un parque eólico querría incorporar cierta capacidad de almacenamiento para facilitar su integración en red, y también conseguir ingresos extra por la provisión de servicios auxiliares para una mejor operación de la red eléctrica. Más aún, un consumidor doméstico, o una comunidad, querrían incorporar almacenamiento para maximizar su autoconsumo de energía renovable, y minimizar su dependencia del suministro eléctrico por parte de la compañía distribuidora. Y por qué no, y a través del uso de los cargadores de vehículos eléctricos adecuados (cargadores bidireccionales), la capacidad de almacenamiento de los vehículos podría ser explotada también en el sector de la energía como un activo más para, en definitiva, la modernización de las redes y sistemas eléctricos hacía un modelo descarbonizado.

La respuesta a todas estas cuestiones requiere hoy del esfuerzo conjunto de la administración, la academia y la industria. En nuestras manos está crear el conocimiento y las herramientas necesarias para hacer el mejor uso de los recursos que disponemos.

(Autor; Francisco Díaz-González, CITCEA-UPC francisco.diaz-gonzalez@upc.edu ; francisco.diaz-gonzalez@citcea.upc.edu)

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