OlaSolar | Acumuladores / Baterías

Cuando hablamos de acumulación existen diversos conceptos, podemos hablar de acumuladores de energía electroquímica para acumular energía eléctrica directamente u otros conceptos como, por ejemplo, acumulación por gravedad (bombeo de agua, elevación de pistones de terreno), generación de gases (hidrógeno o metano), etc. que convierten la electricidad en otra fuente de energía para volver a transformarla en electricidad (ya sea por turbinas, pilas de combustible, etc.) en otro momento.

En este artículo, sin embargo, nos limitamos a los acumuladores electroquímicos, también llamados baterías o pilas y concretamente a las tecnologías comercialmente asequibles para el mercado residencial y PYMES.

Descripción general

Las baterías consisten en células galvánicas que se componen de dos electrodos de metales (formando ánodo y cátodo) y un electrolito.  

Existen muchos tipos distintos de baterías pero los más usados son de plomo-ácido (sobre todo para aplicaciones estacionarias dando autonomía para varios días de servicio) e iones de litio (para autoconsumo, respectivamente acumulación para pocas horas de servicio); las últimas las encontramos también en portátiles, móviles y últimamente cada vez más en coches eléctricos. 

Una batería no es un perpetuum mobile. Como todos los procesos en la naturaleza, también las reacciones electroquímicas de carga y descarga de la batería están sometidas a pérdidas; normalmente hace falta un 5% - 20% más de energía para recargar lo que se ha extraído de la batería anteriormente (cuanto más cargada está la batería, más altas son las pérdidas – sobre todo en baterías de plomo-ácido). Un papel importante para las pérdidas juega la resistencia interna de la batería que suele aumentar bastante con el tiempo (degradación), así que una batería cada año de uso pierde algo de eficiencia y capacidad.

Para las baterías de plomo-ácido en general diferenciamos entre varios diseños condicionados a su aplicación (batería de arranque, batería de tracción, estacionaria, AGM etc.) y aunque usen los mismos metales y electrolitos, existen grandes diferencias entre un diseño y otro en cuanto a vida útil, profundidad de descarga, intensidades, capacidades etc. 

Dentro de las baterías de litio para el uso residencial principalmente diferenciamos entre dos diseños:

1.) Litio-ferrofosfato (LiFePO4)

2.) Iones de litio

En los siguientes capítulos profundizaremos en estos aspectos.

Tipos de acumuladores/baterías

1.- Plomo-ácido

Los acumuladores de plomo-ácido se clasifican de dos maneras: 

• Uso (tracción, estacionaria, arranque) 
• Diseño (materiales, tipo de placa, grosor de placa, electrolito, cerrado/abierto etc.) 

Los usos más importantes son:

• Arranque (principalmente para alimentar el motor de arranque y la electrónica de vehículos)
• Tracción (carretillas elevadoras etc.)
• Estacionarios - aplicaciones aisladas de la red e inmóviles (o para respaldo en caso de que falle la red)

En cuanto al diseño, dentro de las baterías de plomo-ácido, podemos distinguir principalmente entre:

• Placa positiva tubular: Son el tipo de placa empleado en baterías estacionarias y en baterías de tracción. Dan las ventajas de gran profundidad de descarga (normalmente un 80% de la capacidad nominal se puede considerar capacidad útil), descarga/recarga relativamente rápida (superficie grande de placa), muchos ciclos de carga/larga vida útil
• Placa positiva plana gruesa (por ejemplo, baterías de Rolls). Ventajas: Muy larga vida útil respectivamente muchos ciclos de carga (según grosor de la placa), coste de fabricación relativamente bajo; desventaja: poca superficie, por lo cual disminuye mucho la capacidad útil para consumos potentes (régimen de descarga intenso como por ejemplo C10 / C5).
• Placa positiva plana fina tipo esponja: Se emplean en baterías de arranque y dan una superficie muy grande lo que permite una descarga/recarga muy rápida (intensidades muy altas). Desventajas: Admiten pocas descargas profundas ya que entonces las placas se consumen muy rápidamente; pueden dar miles de ciclos para arranques de motores (2% - 5% de descarga) pero no suelen llegar a 100 ciclos profundos (con más del 50% de descarga).
• • Placa positiva de rejilla: Ofrece una superficie grande (capacidad útil disminuye poco con consumos fuertes) y una aceptable profundidad de descarga, pero da pocos ciclos de vida (habitualmente 300 – 500 ciclos con 80% de descarga).

En general se puede decir que una batería va a durar más ciclos cuanto:

- más grosor tienen sus placas positivas (material activo) 

- menos profundidad de descarga tienen los ciclos (como se puede observar en el gráfico a continuación)

Muy importante para la duración de las baterías es también:

-Temperatura (cuanto más alta la temperatura, más capacidad útil da la batería, pero más rápida va a progresar la corrosión de las placas positivas – por ende va a durar menos ciclos). La temperatura ideal para las baterías se sitúa en torno a unos 20ºC.

-Mantenimiento adecuado (mantener el nivel de electrolito dentro de lo admisible, prevenir y sanar sulfataciones).

-Parámetros de carga y descarga adecuados (tensiones e intensidades según recomienda el fabricante; en general se puede decir que tensiones demasiado altas provocan una corrosión acelerada de la placa positiva y tensiones demasiado bajas facilitan la sulfatación de la misma; hay que ajustar la tensión de carga a la temperatura de la batería para maximizar su vida útil).

Existen diferencias en el diseño en cuanto a tamaños, números de células (voltaje), densidad nominal y consistencia del electrolito (líquido, gelificado o AGM), material del contenedor, aleaciones de las placas etc. Por ejemplo, se usa antimonio para aumentar la resistencia mecánica de las placas. Cuanto más alto es el porcentaje del antimonio, más resistencia mecánica tiene la placa y más va a resistir a intensidades altas de descarga y vibracionesmecánicas. Por otra parte el antimonio aumenta el gaseamiento (esto conlleva mayores pérdidas de agua y menor rendimiento de carga) y la autodescarga.

1.1 Procesos de carga y descarga en plomo-ácido

-Reacciones químicas

Las reacciones químicas que tiene lugar en los procesos de carga y descarga de baterías de plomo-ácido son:

Descarga: Pb + PbO2 + 2H2SO4  → 2PbSO4 + 2H2O + corriente eléctrica

Carga: 2PbSO4 + 2H2O + corriente eléctrica → Pb + PbO2 + 2H2SO4

-Etapas de carga

Existen 4 etapas de carga:

• Bulk: la fase bulk es la etapa de carga más eficiente. Esta etapa contiene todo el proceso de carga desde las baterías completamente descargadas hasta llegar a unos 2,4 V por célula de batería (por ejemplo, 14,4 V para una batería de 12 V). En la fase bulk no hay limitaciones de la corriente de carga; se aprovecha toda la potencia que puede entregar el regulador de carga respectivamente el cargador.
• Absorción: Cuando llegamos a la tensión de gaseamiento (2,4V por célula) empieza el proceso de absorción. En esta fase la corriente de carga se limita para que la tensión no suba más y se mantiene en 2,4 V por célula. La corriente disminuye poco a poco hasta que la batería está completamente cargada. Cuando la batería está completamente cargada, la corriente se mantiene constante. Los reguladores de carga mayoritariamente no cuentan con una posibilidad de detectar cuando la batería está cargada completamente y funcionan con un tiempo fijo programado para esta etapa de carga.
• Flotación: Tras la etapa de absorción el regulador pasa a flotación. En esta etapa de carga, el regulador se encarga de mantener la batería cargada, compensando la autodescarga de la batería. El regulador limita la intensidad de carga para mantener la tensión de la célula constante. La tensión de flotación suele estar en un rango de 2,2 V - 2,3 V  por célula y depende del tipo de batería, fabricante y modelo.
• Ecualización: Esta etapa de carga sirve para varias tareas de mantenimiento de la batería. La ecualización (también llamada igualación o carga de mantenimiento) es una sobrecarga de la batería, elevando la tensión de carga por encima de la tensión de gaseamiento, que provoca un gaseamiento fuerte de la batería. Esto sirve para:

- Romper estratificaciones de ácido dentro de las células. Tras mucho tiempo en reposo y sin recargar completamente una batería, esta puede sufrir una estratificación del ácido, quedando el ácido más denso abajo y dejando el ácido menos denso arriba en el vaso. La ecualización sirve para mezclar el electrolito y así romper la estratificación que se ha formado con anterioridad.

- Igualar el estado de carga de los elementos. Los distintos elementos o células de batería tienen diferencias en la resistencia interna por lo cual, el estado de carga de las distintas células puede variar con el tiempo, sobrecargando unos elementos mientras otros no se cargan completamente. Con la carga de ecualización se asegura que todos los elementos se recargan completamente.

- Limpieza de placas positivas. Las placas positivas, con descargas fuertes, descargas profundas y/o recargas incompletas durante semanas, pueden sufrir una sulfatación, disminuyendo su capacidad y rendimiento. Para limpiar las placas de los cristales de sulfato que se han formado se hace una carga de ecualización que disuelve los cristales o al menos provoca el despegue de estos de las placas.

-Influencia de la intensidad de descarga

Una célula de batería indica su capacidad nominal en la unidad “Ah”. Los “Ah” son el producto de la intensidad (amperios > A) por el tiempo (horas > h). Este valor suele estar acompañado por el régimen de descarga correspondiente que se indica con la letra “C” y un número que nos indica el tiempo de la descarga. Las indicaciones más habituales de la capacidad se hacen en los regímenes C5 (descarga con intensidad constante durante 5 horas), C10 (10 horas), C20 (20 horas) o C100 (100 horas).

Por ejemplo, si tenemos una batería que nos indica en su ficha 600 Ah C10, esto nos quiere decir que dispone de 600 Ah en un régimen de descarga con intensidad contante durante 10 horas. La intensidad de descarga correspondiente es: 600 Ah / 10 h = 60 A. Si descargamos la batería con 60 A de intensidad nos va a durar 10 horas y por lo cual nos dará 600 Ah de capacidad. La misma batería da mayor capacidad cuanto más lentamente se descarga. Al contrario, si se descarga más rápidamente (respectivamente con mayor intensidad), nos va a dar menos capacidad. Una batería que nos da 600 Ah C10, nos puede dar unos 900 Ah C100.

Ejemplo: Tenemos una batería de 12 V y 600 Ah C10 y 900 Ah C100 (normalmente la ficha técnica de la batería nos marca dos valores de capacidad para dos regímenes de descarga). Le conectamos varios aparatos cuya suma consume 60 A (600 Ah / 10 h = 60 A). Con esta carga nos dura 10 horas la batería, respectivamente nos rinde 600 Ah o 7.200 Wh (600 Ah * 12 V = 7.200 Wh). Si le conectamos una carga de sólo 9 A a la misma batería (900 Ah / 100 h = 9 A), (por ejemplo, una bombilla de 108 W; 9 A * 12 V = 108 W), nos durará 100 horas y rendirá 900 Ah respectivamente 10.800 Wh (100 h * 108 W).

-Influencia de la temperatura

La temperatura influye en los siguientes aspectos:

• Capacidad útil
• Tensión (voltaje)
• Durabilidad

Capacidad útil:

Cuanto más alta la temperatura, más capacidad nos da la batería. Una batería que nos da 1000 Ah a 25°C, nos dará solamente unos 850 Ah a 0°C.

La ilustración muestra como depende la capacidad (eje vertical en %) de la temperatura (eje horizontal en °C)

Tensión:

La tensión que da la batería (y la que necesita para su recarga) depende mucho de la temperatura de la misma. Cuanto más baja la temperatura, más alta la tensión.

Se suele aplicar un factor de 0,005 V/K (por célula de 2 V) para compensar los efectos de la temperatura. De esta manera, una bajada de temperatura de 30°C a 20°C conlleva un incremento de 0,005 V/K *10 K * 6 células = 0,3 V en una batería de 12 V.

Debido a esto es muy importante que el regulador de carga tenga información sobre la temperatura de la batería, por lo cual es muy importante que tenga una sonda de temperatura externa. Sin esta sonda, hay peligro de sobrecargar la batería en verano y no cargarla suficientemente (con la consecuente sulfatación) en invierno.

Durabilidad:

Cuanto más alta la temperatura, menos ciclos nos va a dar la batería  por lo que su durabilidad será menor.

La siguiente ilustración muestra qué efecto tiene la temperatura sobre los ciclos que da una batería (las 3 curvas corresponden a tres profundidades de carga distintas).

2.- Litio

Las baterías de litio en los últimos años se han hecho imprescindibles para muchos dispositivos electrónicos de uso móvil, como los móviles, portátiles, tablets, etc. y en vehículos eléctricos. También poco a poco están conquistando el mercado de acumulación de energía a nivel residencial e incluso a escalas más grandes.

Las principales ventajas que ofrecen las baterías de litio, son:

- alta densidad de energía (más compactas y ligeras que sus competidores)

- elevado número de ciclos de carga/descarga 

- altas intensidades de carga/descarga

- libres de mantenimiento

-Diseño

En cuanto al diseño existen muchas variedades de baterías de litio que se diferencian por los metales y aleaciones que se usan en combinación con el litio en sus ánodos y cátodos (los cuales resultan en diferentes propiedades como tensión de célula, resistencia a temperaturas altas y bajas), electrolitos (basados en sales, polímeros, etc.), diferentes formas de células (planas, cilíndricas), y en muchos más aspectos. En este artículo, sin embargo, nos limitamos a las baterías comercialmente más interesantes para el mercado residencial, las cuales son:

• Litio-ferrofosfato (LiFePO4)
• Iones de litio

Las ventajas del litio-ferrofosfato (LiFePO4) frente a la batería de iones de litio son:

- alta seguridad: el diseño es más robusto y resistente frente a daños mecánicos - no puede prender fuego como una batería de iones de litio cuando se daña

- amplio rango de temperaturas: resiste mejor a temperaturas altas y bajas

- más altas intensidades de carga/descarga

La desventaja principal de las LiFePO4 es su densidad energética más baja, con lo cual son más grandes y pesadas para dar la misma capacidad que baterías de iones de litio.

Lo que todas las baterías de litio tienen en común es que soportan muy mal las descargas completas y las sobrecargas, por lo cual las baterías que se venden para usos exhaustivos como vehículos eléctricos o baterías de uso residencial están dotadas con un BMS (Battery Management System – sistema de gestión de batería) que se encarga a nivel de celda que no se pasen ni de carga ni de descarga. Así pues, lo que indica el BMS como 100% de capacidad de batería (por ejemplo en la pantalla del móvil) realmente es sólo un 80-90% de la capacidad real y solamente se refiere a la capacidad útil de la batería. El BMS siempre deja un margen de descarga 

Ya que las baterías de litio no requieren mantenimiento y el propio BMS incorporado se encarga de evitar maltratamientos de la batería, no profundizamos tanto en la materia como lo hemos hecho con las baterías de plomo-ácido.

-Selección de la batería adecuada

El uso que se le suele dar a una batería en instalaciones fotovoltaicas es para vivienda aislada o semiaislada (aislada con apoyo de red). Para un uso de vivienda aislada 100% sin posibilidad de red de apoyo, suele ser la mejor opción inclinarse por baterías de plomo-ácido y en concreto a baterías estacionarias o de tracción – según el presupuesto disponible y mantenimiento deseado. No obstante en climas muy soleados (como por ejemplo en el desierto de Atacama) o cuando existe otra fuente de energía complementaria barata (hidráulica, eólica, biomasa), serán la mejor opción las baterías de litio incluso para sistemas aislados, ya que cuando se precisa poca autonomía, se pueden aprovechar todas sus ventajas y “exprimir” bien los ciclos que son capaces de dar - una batería de litio diseñada para dar 3 días de autonomía, de media se descarga un 20% cada día, con lo cual cada 4 días tendríamos un ciclo acumulado de 80% DOD (profundidad de descarga); de estos ciclos las baterías de litio son capaces de dar más de 10.000, los cuales no se alcanzarían ni en 100 años de uso; no obstante está claro que una batería de litio no va a durar más de 20 años - para calcular con más de 20 años de servicio ya habría que ser muy optimista.

Para un sistema semiaislado queda claro que el litio es la mejor opción, ya que sale más económico el kWh ciclado, es más eficiente, compacta, ligera ylibre de mantenimiento, con lo cual en este caso son todo ventajas frente a una batería de plomo-ácido.

Aparte del tipo de batería hay que elegir bien la capacidad necesaria, para ello necesitamos saber 3 factores principales:

• consumo a abastecer [Wh/día]
• autonomía deseada/necesaria [días]
• tensión de sistema [V]

Ejemplo:

Queremos seleccionar la batería adecuada para una vivienda aislada con un consumo de 5.000 Wh/día, 3 días de autonomía deseada y sistema de 24 V; a partir de ahí calculamos la energía total que tiene que proporcionarnos la batería, la cual es: 5.000 Wh/día * 3 días = 15.000 Wh. Ahora bien, como no queremos llegar a descargar completamente la batería para alargar su vida útil, tendremos que contar con una profundidad de descarga máxima de 80%, con lo cual los 15.000 Wh tienen que corresponder al 80% de la capacidad total de la batería, con lo cual la capacidad total será de 15.000 Wh / 80% = 18.750 Wh. Para saber los Ah necesarios que nos tiene que proporcionar la batería, tenemos que dividir la energía entre la tensión de sistema (ya que Wh = Ah * V), con lo cual en nuestro ejemplo nos sale una capacidad de 18.750 Wh / 24 V = 781,25 Ah. 

La batería adecuada tendrá que tener entonces al menos unos 780 Ah de capacidad para cumplir con los requisitos.

Para seleccionar el tipo de batería adecuada puede servir la tabla a continuación que recoge criterios interesantes para la selección y los valora para cada tipo de batería

* con 80% de profundidad de descarga (DOD)

** calculando con ciclos de 90% DOD para baterías de litio y 50% DOD para plomo-ácido; precios de la tienda sin contar con inversor-cargador; fecha: 11/2018

*** con tapones de recombinación que hacen recombinar la mayor parte de los gases para reducir la pérdida de agua

**** SLA = sistema de llenado automático para reponer el agua de forma automática desde un bidón

***** sin contar con rack