Baterias Estacionarias

Artículo – Almacenamiento Almacenamiento Energía energía Baterías para En Español

Aplicaciones Estacionarias

Roberto Villafáfila David Peña Laura Cros Centro de Innovación Tecnológica en Convertidores Estáticos y Accionamientos – Barcelona, España (CITCEA)

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BATERÍAS PARA APLICACIONES ESTACIONARIAS

Introducción Disponer de energía eléctrica para aplicaciones portátiles, la puesta en marcha, sistemas de emergencia o garantizar la continuidad de suministro ante un fallo en la red eléctrica se ha solucionado mediante las baterías. Existen las baterías primarias o pilas que pueden entregar energía de forma irreversible hasta su completo agotamiento. Y baterías secundarias, o simplemente baterías, que permiten procesos cíclicos reversibles de carga-descarga. Por este motivo, estas últimas son las más utilizadas en actividades industriales. Existen diferentes tipologías de baterías, en función de su naturaleza interna y la aplicación de destino. Así, a la hora de escoger una batería, debe tenerse en cuenta que cada tipo de batería ofrece unas características y ventajas sobre las demás, pero ninguna de ellas las engloba todas. Los fabricantes de baterías son conscientes de las necesidades de cada aplicación y por eso ofrecen diferentes gamas a fin de que se adapten perfectamente a cada caso. Por ejemplo, una gama de baterías puede estar diseñada para suministrar una alta densidad energética y larga duración, pero ser cara. O también, una gama podría ser construida con un tamaño pequeño y proporcionar una descarga larga, pero con una vida media limitada. En consecuencia, antes de escoger un modelo concreto, deberán estudiarse las necesidades propias así como los requisitos buscados, con tal de asegurar la mejor inversión y un buen funcionamiento. No obstante, aunque en su selección priman los criterios técnicos, como las características propias de la batería para determinar los niveles de seguridad y fiabilidad que proporcionan, su instalación y su explotación (que incluye operación y mantenimiento) requiere la misma atención y personal especializado para asegurar el buen funcionamiento de las baterías.

Aplicaciones estacionarias Las aplicaciones estacionarias se caracterizan por ser instalaciones o equipos fijos, es decir, no están destinadas a cambiarse de sitio habitualmente. Así, su explotación se caracteriza por unas condiciones de trabajo bien conocidas y normalmente cíclicas. Si se trata de instalaciones, éstas tienen frecuentemente unas dimensiones y potencias considerables. Aquí se encuentran por ejemplo las telecomunicaciones, los centros de proceso de datos y el transporte y distribución de energía eléctrica. Pero también puede tratarse de equipos como los sistemas de alimentación ininterrumpida, con un rango de potencias desde unos pocos W hasta MW. Este tipo de actividades tienen que estar operativas las 24 horas del día los 7 días de las semanas todos los días del año. Aquí las baterías adquieren especial importancia porque son la fuente de energía de los sistemas de reserva o emergencia de estas aplicaciones, por lo que requieren una alta fiabilidad de suministro eléctrico. La autonomía de las baterías, que puede oscilar entre algunos minutos hasta

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decenas de horas, viene determinada por el diseño de toda la instalación y la disponibilidad de otros equipos. Las baterías actúan como fuentes de corriente continua (CC). En las aplicaciones estacionarias, las baterías están en carga flotante, es decir, conectadas permanentemente a una fuente de corriente continua para asegurar que disponen de toda su capacidad en el momento que se precisa. Esto se realiza a través de un equipo rectificador CA/CC que está conectado a la red eléctrica. En función del tipo de carga de la aplicación, las baterías pueden estar conectadas directamente a las cargas si éstas son de corriente continua (Figura 1), o es necesario un ondulador CC/CA si son de corriente alterna (Figura 2).

Rectificador CA/CC

CARGA CC

RED

Baterías Figura 1. Sistema de baterías para alimentar cargas en corriente continua

Rectificador CA/CC

Ondulador CC/CA

RED

CARGA CA

Baterías Figura 2. Sistema de baterías para alimentar cargas en corriente alterna.

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Baterías para aplicaciones estacionarias Las tipologías de baterías usadas tradicionalmente en aplicaciones estacionarias son las baterías de níquel-cadmio y las de plomo-ácido, a las que hay que añadir recientemente las de ión-litio y las de níquel-hidruro metálico. Entre todas éstas, actualmente las más utilizadas son las baterías de plomoácido. La selección de un u otro tipo puede ser de carácter económico o técnico, o una combinación de ambas. Por ello, a continuación se describen sus características principales, sus principales ventajas y desventajas así como la normativa más significativa. No obstante, están apareciendo alternativas a las tradicionales baterías electroquímicas como son las pilas de combustible y las baterías de flujo, sobre todo para aplicaciones de una potencia elevada.

Baterías alcalinas Las baterías alcalinas de uso más extendido son las de níquel-cadmio, que fue el primer tipo de batería de pequeño tamaño recargable. Existen otros tipos como las de níquel-hierro (Ni-Fe) y níquel-hidruro metálico (Ni-MH). Las baterías de níquel-cadmio proporcionan una densidad energética moderada, una carga rápida, una alta tasa de descarga y una vida larga, además de poder trabajar con un buen rendimiento en un amplio rango de temperaturas, incluso extremas. Sin embargo, contienen metales pesados y tóxicos. Las de Ni-MH se las puede considerar un paso intermedio hacia las baterías de ión-litio. Se están extendiendo, pues presentan mayores densidades energéticas y contienen menos metales tóxicos, pero permiten menor número de ciclos de carga-descarga y alcanzan temperaturas elevadas durante su uso. Algunas de sus aplicaciones son arranque, tracción, elevación, telecomunicaciones, sistemas aeroespaciales, sistemas de alimentación ininterrumpida (de poca potencia), equipamiento biomédico y herramientas eléctricas.

NÍQUEL-CADMIO Este tipo de baterías contiene hidróxido de níquel en el electrodo positivo, cadmio en el negativo e hidróxido de potasio como electrolito. A efectos prácticos, se puede considerar que la reacción electroquímica que se produce no involucra al electrolito ya que sólo actúa como medio de transporte para las cargas eléctricas. Es decir, no hay interacción del electrolito con la materia activa de las placas. La reacción química que tiene lugar en el electrodo negativo es la siguiente: Cd + 2 OH-

descarga

Cd(OH)2 + 2e-

carga www.leonardo-energy.org/espanol

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Mientras que en el electrodo positivo la reacción producida es: 2 NiO(OH) + 2H2O + 2e-

descarga 2Ni(OH)2 + 2 OHcarga

Por lo tanto la reacción global es: 2 NiO(OH) + Cd + 2H2O

descarga 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 carga

Ventajas • • • • • • • • • • •

La carga es rápida y simple, incluso después de un largo período de almacenamiento. Ofrece un alto número de ciclos de carga/descarga. Si el mantenimiento es correcto, puede superar los 1000 ciclos. Tiene una larga vida útil y es de construcción robusta. Tiene una resistencia interna baja. Es una de las baterías recargables más estable. No hay que preocuparse si se abusa de ella. Ofrece un buen rendimiento de carga, incluso a bajas temperaturas. Permite la recarga a bajas temperaturas. Su tiempo máximo de almacenamiento es elevado (5 años aprox.) Es fácil de almacenar y de transportar. Se encuentra disponible en un amplio rango de tamaños. Es económica.

Inconvenientes • •

• •

Su densidad energética es relativamente baja, con lo que deben ser recargadas cada poco tiempo. Necesita una descarga completa periódica, ya que sino se forman cristales en los platos de la celda (también conocido como efecto memoria) y va perdiendo gradualmente su rendimiento, es decir, pierde capacidad. Contiene metales tóxicos, por lo que requiere una gestión especial a fin cumplir la normativa medioambiental. Necesita ser recargada después de un período de almacenamiento, ya que la tasa de autodescarga es relativamente alta.

Normativa • •

IEC 60622 (2004): Acumuladores con electrolitos alcalinos u otros electrolitos no ácidos. Elementos individuales prismáticos recargables sellados de níquel-cadmio. IEC 60623 (2002): Acumuladores alcalinos y otros acumuladores con electrolito no ácido. Elementos individuales prismáticos recargables abiertos de níquel-cadmio.

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NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO Este tipo de baterías contiene un material compuesto inter-metálico como metal M del electrodo negativo, hidróxido de níquel en el electrodo positivo e hidróxido de potasio como electrolito. La reacción química que tiene lugar en el electrodo negativo es la siguiente: OH- + MH

descarga

H2O + M + e-

carga Mientras que en el electrodo positivo la reacción producida es: NiO(OH) + H2O + e-

Por lo tanto la reacción global es: NiO(OH) + MH

descarga carga

carga descarga

Ni(OH)2 + OH-

NiO(OH)2+ M

Ventajas • • • •

Mayor capacidad que las de Ni-Cd (hasta un 40%). Menor afectación del efecto memoria. Almacenamiento y transporte sencillo, no sujeto a restricciones legales. Impacto ambiental bajo y es reciclable.

Inconvenientes • • • • • • •

Vida útil menor que las de Ni-Cd. Almacenamiento máximo de tres años. Envejecimiento prematuro por bajas temperaturas, cargas parciales y almacenamiento a altas temperaturas. Corriente de descarga limitada. Proceso de carga complejo porque se genera mucho calor y es más largo que las de Ni-Cd. Auto-descarga elevada. Mantenimiento elevado.

Normativa •

No hay normativa específica para aplicaciones estacionarias por el momento. Sólo la IEC 619512 para aplicaciones portátiles.

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Baterías de plomo-ácido Existen diferentes tipos, en función del electrolito: ƒ

Abiertas, con electrolito líquido.

ƒ

Reguladas por válvula (VRLA): o

AGM, con electrolito absorbido en fibra de vidrio.

o

Gel, con electrolito inmovilizado o gelificado.

En general, suelen tener un mayor tamaño que las alcalinas, así como un peso elevado. Pero por otro lado, son las más económicas para aplicaciones de alta potencia. Las más extendidas son las de tipo VRLA, por su facilidad y economía de instalación y explotación. Entre las aplicaciones típicas destacan sillas de ruedas, automoción, luces de emergencia, sistemas de alimentación ininterrumpida y sistemas aislados.

PLOMO-ÁCIDO Las baterías de plomo-ácido están constituidas por un electrolito de ácido sulfúrico y dos electrodos de plomo que, cuando la batería está descargada, se encuentra en forma de sulfato de plomo (PbSO4) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb). Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo es reducido a plomo metal en el polo negativo, mientras que en el ánodo se forma óxido de plomo (PbO2). Por el contrario, durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo es reducido a sulfato de plomo mientras que el plomo elemental es oxidado para dar igualmente sulfato de plomo. Así, el electrolito participa en la reacción electroquímica, por lo que su densidad varía durante los procesos de carga-descarga. Esta variabilidad afecta a la fuerza electromotriz (fem) de la batería, ya que depende en gran medida de la densidad del electrolito, cosa que hace que sea necesaria utilizar curvas empíricas para determinar el comportamiento dinámico de la batería. Así, tenemos que la reacción que se da en el electrodo positivo es la siguiente: descarga PbSO4 (s) + 2 H2O

PbO2 (s) + 4 H+ + SO42- + 2e-

carga Mientras que en el electrodo negativo la reacción producida es: Pb + SO42-

descarga

PbSO4 + 2e-

carga

Por lo tanto la reacción global es: www.leonardo-energy.org/espanol

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Pb + PbO2 (s) + 4 H+ + 2SO42-

descarga 2PbSO4 (s) + 2 H2O carga

Cuando el sulfato de plomo empieza a formar cristales muy grandes debido al efecto memoria, se va perdiendo la reversibilidad del proceso. Se dice que el acumulador se ha sulfatado y entonces es necesario sustituirlo por otro nuevo. Ventajas • • • •

•

•

Son las más económicas para aplicaciones de alta potencia. Son reciclables. Proporcionan altos niveles de seguridad y fiabilidad. Las baterías reguladas por válvula no precisan de mantenimiento significativo durante su vida útil debido a la tecnología de recombinación de gases. Sin embargo, a las abiertas hay que añadirles electrolito periódicamente. Las abiertas tienen que estar en posición vertical y ser accesible para verificar el nivel del electrolito, mientras que las baterías reguladas por válvula pueden situarse prácticamente en cualquier posición mientras sus bornes sean accesibles. Las baterías con electrolito gelificado permiten una utilización más segura y cómoda, pues el electrolito no se evapora.

Inconvenientes • • • •

Suelen tener grandes dimensiones y un peso elevado. Su condición depende en gran medida del entorno y de su utilización. Las abiertas requieren un mantenimiento regular y un espacio especialmente acondicionado por si hubiera pérdida de electrolito. Las de tipo VRLA están activadas desde que finaliza su proceso de producción. En cambio, las de tipo abierta son activadas después de su instalación.

Normativa • • •

IEC 60896-11 (2004): Baterías estacionarias de plomo. Parte 11: Baterías de plomo de tipo abierto. Requisitos generales y métodos de ensayo. IEC 60896-21 (2004): Baterías estacionarias de plomo. Parte 21: Baterías reguladas por válvula. Métodos de ensayo. IEC 60896-22 (2004): Baterías estacionarias de plomo. Parte 22: Baterías reguladas por válvula. Requisitos.

Baterías de ión-litio Son la última tendencia en el mercado, ya que ofrecen una alta densidad energética junto con un tamaño y peso pequeños. Por cuestiones de seguridad, es necesario limitar la tensión y el corriente mediante circuitos de protección. www.leonardo-energy.org/espanol

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Se utilizan principalmente en equipos móviles, como teléfonos móviles, agendas electrónicas u ordenadores portátiles. Pero gracias a los últimos desarrollos tecnológicos, también se están empezando a utilizar en aplicaciones estacionarias.

IÓN-LITIO Las baterías de ión-litio utilizan un ánodo de litio y un cátodo de ión. El litio es el metal más ligero, tiene un gran potencial electroquímico y proporciona una elevada densidad energética, la cual suele duplicar la de las baterías de níquel-cadmio. Las baterías de ión-litio no precisan de mantenimiento, no se ven afectadas por el efecto memoria y no necesitan ser sometidas a ciclos de carga-descarga periódicamente para prolongar su duración. Además, la tasa de auto-descarga es inferior a la mitad de la de las baterías de níquel-cadmio. Pero a pesar de estas ventajas, también tiene sus inconvenientes. Es muy frágil y requiere un circuito de protección para mantener la tensión y el corriente dentro del rango de seguridad. Este circuito limita la tensión máxima de cada celda durante la carga, previene que la tensión de éstas disminuya demasiado durante la descarga y limita el corriente durante la carga y la descarga (normalmente entre 1C 1 y 2C). Además, la temperatura de la celda debe ser monitorizada para prevenir temperaturas extremas. La corta vida útil es un aspecto que concierne a este tipo de baterías. Puede apreciarse un deterioro después de un año, tanto si la batería está en uso o no, y frecuentemente la batería falla después de dos o tres años. Sin embargo, esta tecnología está actualmente en pleno desarrollo, por lo que se ve mejorada continuamente con nuevas combinaciones químicas. Con este rápido progreso, es difícil predecir la duración de las baterías mejoradas. Hasta la fecha existen diferentes tipos de baterías ión-litio. Las de cobalto se usan en teléfonos móviles, cámaras y ordenadores portátiles. Las de manganeso, conocidas con el nombre de spinel, y las de fosfato se encuentran en herramientas eléctricas. Y, finalmente, las de polímero de ión-litio se comportan de manera similar a las de cobalto. Como no sufren el efecto memoria, no hace falta descargarlas por completo. De hecho no es recomendable, ya que puede acortar mucho su vida útil. Sin embargo, y a pesar de no requerir de un mantenimiento especial, al igual que las otras baterías, necesitan ciertos cuidados: • • • •

1

Es recomendable que permanezcan en un sitio fresco (15ºC), y evitar el calor. Cuando se vayan a almacenar mucho tiempo, se recomienda dejarlas con carga intermedia. La primera carga no es decisiva en cuanto a su duración. Es un mito probablemente heredado de las baterías de níquel. Es preciso cargarlas con un cargador específico para esta tecnología, ya que de lo contrario se dañará la batería y podría incluso incendiarse.

1C significa que la batería se cargará con la misma corriente que puede suministrar durante una hora.

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Ventajas • • • • • •

Tiene una alta densidad energética. Su pequeño tamaño y peso la hace ideal para dispositivos portátiles. Su tasa de auto-descarga es relativamente baja. No sufre el efecto memoria. No precisa de descargas periódicas, ya que no tiene efecto memoria, con lo cual el coste de mantenimiento es inferior. Se descarga de forma lineal. Durante toda la descarga, la tensión de la batería apenas varía, por lo que es fácil estimar su autonomía y evita la necesidad de circuitos reguladores. Algunas pueden entregar corrientes muy elevadas.

Inconvenientes • •

• • •

Precisa de un circuito de protección para mantener la tensión y el corriente dentro del rango de seguridad. Va perdiendo vida útil con el tiempo, incluso si se encuentra almacenada, y es difícil predecirla. Para reducir este efecto conviene que sea almacenada parcialmente cargada (aproximadamente al 40% de carga) en un lugar frío. El transporte de grandes cantidades de baterías ión-litio debe ser controlado y regulado, excepto en el caso de baterías portátil. Tienen un elevado coste de producción, aproximadamente un 40% superior a las Ni-Cd. Su diseño no esta totalmente actualizado, ya que se encuentra en continuo desarrollo.

Normativa • • •

IEC 61960 (2004): Acumuladores con electrolitos alcalinos u otros electrolitos no ácidos. Acumuladores de litio para aplicaciones portátiles. IEC 62281 (2004): Seguridad de las pilas y acumuladores de litio durante el transporte. IEC 60086-4 (2001): Pilas eléctricas. Parte 4: Normas de seguridad para las pilas de litio.

Comparativa Existen diferencias sustanciales entre las baterías estacionarias, tal como se observa a partir de todo lo descrito en los apartados anteriores. Estas diferencias son las que determinan la idoneidad de unas u otras para las diferentes aplicaciones. La Tabla 1 muestra una comparativa con las principales características de los tres tipos de baterías descritos. Estas particularidades abarcan tanto los aspectos constructivos como los parámetros eléctricos de operación. A nivel constructivo, incluso existen diferencias dentro de las baterías de alcalinas, plomo-ácido e ión-litio.

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Ión-Litio Ni-Cd

Tensión por celda

nominal

Ni-MH

Plomo-ácido Ión-Li Cobalto

Ión-Li Manganeso

Ión-Li Fosfato

1,25V

1,25V

2V

3,6V

3,6V

3,3V

100-200 por módulo 6V

200-300 por módulo 6V

Inferior a 100 por módulo 12V

100-130 por celda 150-300 por módulo

25-75 por celda

25-50 por celda

45-80 Wh/kg

60-120 Wh/kg

30-50 Wh/kg

150-190 Wh/kg

100-135 Wh/kg

90-120 Wh/kg

Corriente recomendada

1C

0,5C o inferior

0,2C

1C o menos

10C o menos

10C o menos

Corriente permitida

20C

5C

5C

Inferior a 3C

Inferior a 30C

Inferior a 30C

>1000

300-500

200-300

300-500

300-500

>1000 bajo condiciones controladas

1h

2-4h

8-16h

1,5-3h

20%

30%

5%

Inferior al 10%

Moderada

Baja

Alta

Baja

de -40º a 60ºC

De -20º a 60ºC

de -20º a 60ºC

de -20º a 60ºC

Sí

Sí

Sí

Cada 2 meses máximo

Cada 3 meses máximo

Cada 3-6 meses para abiertas y casi nulo para VRLA

Bajo toxicidad

Alto

Reciclable

Reciclable

Recomendado fusible

Recomendado fusible

Recomendado fusible

1950

1990

1970

Resistencia interna [mΩ] Densidad energética

máxima

Número de ciclos de carga/descarga (hasta el 80% de la capacidad inicial)

Tiempo de carga Auto-descarga mensual Tolerancia sobrecarga

a

Temperatura operación

la de

Estabilidad térmica Periodicidad mantenimiento

del

Impacto medioambiental

Seguridad Uso desde

comercial

Muy alto

Hasta 150ºC

1h o menos

Hasta 250ºC

Hasta 250ºC

No necesario

Poco tóxicas

Circuito de seguridad obligatorio 1991

1996

Tabla 1. Comparación tipología de baterías.

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