Baterías: ¿qué opciones hay?

El mundo avanza cada vez más hacia las fuentes de energía renovable y el almacenamiento energético a nivel de red, por lo que resulta ventajoso conocer las distintas tecnologías de batería. Cada tipo de batería ofrece características únicas que las hacen aptas para usos concretos, desde la estabilización de la red eléctrica hasta los sistemas de alimentación auxiliar. En esta publicación estudiaremos los principales tipos de baterías estacionarias, su química subyacente, sus usos habituales y las ventajas y desventajas de cada tecnología. 

No obstante, antes de pasar a los distintos tipos de batería, puede ser útil obtener una imagen general. Todas las baterías son dispositivos electroquímicos y, como tales, deben obedecer irremisiblemente las leyes que rigen los parámetros de reacciones químicas. En particular, todas las baterías se ven afectadas por la temperatura. Las altas temperaturas acortan su vida útil, mientras que las bajas reducen la capacidad y empeoran el rendimiento. Por lo tanto, se debe elegir y ajustar con especial atención la envergadura de aquellas baterías que tengan que funcionar en condiciones térmicas inusualmente elevadas o reducidas.

 

Baterías de plomo-ácido

Las baterías de plomo-ácido son una de las tecnologías de baterías recargables más antiguas y más extendidas. Llevan usándose más de un siglo para muchas finalidades, desde el arranque de automóviles hasta los sistemas de alimentación ininterrumpida y el almacenamiento de energía "off the grid" (cuando no se dispone de red eléctrica, tanto voluntariamente como por posibilidades coyunturales).

Química

Las baterías de plomo-ácido constan de láminas positivas de dióxido de plomo (PbO2) y láminas negativas de esponja de plomo (Pb), sumergidas en un electrolito de ácido sulfúrico (H2SO4).

Tipos

1. De plomo y ácido ventiladas (VLA): también se denominan "baterías de plomo-ácido inundadas" y necesitan de reposiciones periódicas de agua.
2. De plomo y ácido con válvula (VRLA): baterías selladas, entre las que se encuentran las de separador de vidrio absorbente y gel. Estos dispositivos necesitan de comprobaciones periódicas rigurosas, ya que funcionan con deficiencia de electrolito.

Usos habituales

• Alimentación auxiliar para telecomunicaciones y centros de datos
• Sistemas de energía renovable tanto con conexión a la red como sin ella ("off-grid")
• Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI)
• Estaciones de carga de vehículos eléctricos
• Arranque de vehículos de gasolina y diésel

Ventajas

• Tecnología asentada con un historial prolongado: en consecuencia, se dispone de abundantes conocimientos y experiencia al respecto de su uso y mantenimiento.
• Coste inicial reducido: las baterías de plomo-ácido suelen ser la opción más económica para las necesidades de almacenamiento de energía a corto plazo.
• Elevada capacidad de reciclaje: es posible reciclar casi el 100 % de las baterías de plomo-ácido, lo que las convierte en una opción responsable desde el punto de vista ambiental.
• Fiabilidad y tolerancia a las sobrecargas: si se manejan correctamente, las baterías de plomo-ácido pueden soportar una sobrecarga ocasional sin sufrir daños de relevancia.

Contras

• Menor densidad de energía en comparación con las tecnologías más nuevas: necesitan más espacio para almacenar la misma cantidad de energía que las baterías de tipos más avanzados.
• Ciclos de carga más cortos, en particular si se descargan al máximo: si se descargan al completo con regularidad, la vida de las baterías de plomo-ácido puede verse acortada notablemente.

 

Baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio revolucionaron el almacenamiento de energía gracias a su alta densidad energética y eficiencia. Se han vuelto cada vez más populares en usos como el almacenamiento de energía a gran escala, los vehículos eléctricos y los dispositivos electrónicos portátiles.

Química

Las baterías de iones de litio emplean un compuesto de litio como electrodo positivo y, por lo general, grafito como electrodo negativo. El electrolito es una sal de litio en un solvente orgánico.

Tipos

1. De óxido litio, níquel, cobalto y manganeso: ofrece un buen punto medio entre densidad energética y potencia.
2. De fosfato de hierro de litio: famosas por su seguridad y vida útil prolongada.
3. De óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio: ofrecen una elevada densidad energética.
4. De óxido de litio y manganeso: ofrecen buena estabilidad térmica y seguridad.

Usos habituales

• Almacenamiento de energía a escala de red eléctrica y estabilización de redes
• Vehículos eléctricos y e híbridos eléctricos
• Sistemas residenciales y comerciales de almacenamiento de energía
• Dispositivos electrónicos portátiles y herramientas eléctricas

Ventajas

• Alta densidad de energía: permite reducir el tamaño y el peso de las soluciones de almacenamiento energético, cuestión crucial para usos como los vehículos eléctricos.
• Vida útil prolongada: muchas baterías de iones de litio pueden soportar miles de ciclos de carga y descarga, lo que las hace rentables al largo plazo.
• Velocidad de descarga propia reducida: son capaces de conservar la carga durante periodos más prolongados sin usarse, lo que las hace aptas para usos intermitentes.
• Sin efecto de memoria: A diferencia de algunas tecnologías de batería más antiguas, las de iones de litio no deben descargarse por completo antes de poder volverse a cagar.
• Capacidad de carga rápida: Resulta particularmente práctica para usos que requieren tiempos de respuesta breves, como los vehículos eléctricos.

Contras

• Coste inicial más alto: aunque los precios están bajando, el desembolso inicial que suponen las baterías de iones de litio es superior al de las de plomo-ácido.
• Posibles fallos de seguridad (desviación térmica): en casos excepcionales, las baterías de iones de litio pueden sobrecalentarse y arder.
• Necesitan de sistemas de administración de baterías complejos: para evitar excesos de carta, descargas excesiva y sobrecalentamiento, y también para equilibrar las celdas, se necesitan sistemas de control complejos.
• Empeoramiento del rendimiento a altas temperaturas: la exposición a altas temperaturas puede acelerar la pérdida de capacidad y acortar la vida útil total de la batería.

 

Baterías de flujo

Las de flujo son un tipo de batería recargable único, en el que la energía se almacena en un electrolito líquido. Ofrecen la ventaja de separar potencia y capacidad energética, lo que les confiere una escalabilidad excelente para aplicaciones de almacenamiento de energía de gran envergadura.

Química

El tipo más habitual es el de redox de flujo de vanadio (VRFB), que emplea iones de vanadio en diferentes estados de oxidación. Hay otras composiciones químicas, entre las que se encuentran el cinc-bromo y el hierro-cromo.

Usos habituales

• Almacenamiento de energía de red eléctrica a gran escala
• Integración de energías renovables
• Sistemas de microrredes y sin conexión con la red ("off-grid")
• Administración de energía industrial y comercial

Ventajas

• Vida útil prolongada: Normalmente, las baterías de flujo aguantan decenas de miles de ciclos de carga y descarga sin sufrir un deterioro notable.
• Puede descargarse por completo sin sufrir perjuicios: a diferencia de muchos otros tipos de baterías, las de flujo no sufren deterioro si se descargan por completo.
• Facilidad de redimensionar aumentando el tamaño del depósito: es posible incrementar la capacidad energéticamente con algo tan sencillo como usar depósitos de electrolito más grandes, sin necesidad de cambiar los componentes de corriente.
• Menor riesgo de incendio que las de iones de litio: Los electrolitos acuosos utilizados en la mayoría de las baterías de flujo no son inflamables, lo que las hace más seguras.

Contras

• Menor densidad energética: las baterías de flujo ocupan más espacio que otras tecnologías (por ejemplo, los iones de litio) para almacenar la misma cantidad de energía.
• Sistema complejo: la necesidad de depósitos de electrolito de gran tamaño hace que las baterías de flujo resulten más complejas mecánicamente que las de estado sólido.
• Coste inicial más alto: la complejidad de los sistemas de baterías de flujo a menudo suele implicar un coste inicial más elevado, aunque lo prolongado de su vida útil puede compensarlo.
• Posibilidad de que se produzcan fugas de electrolito: La contención y el mantenimiento adecuados son fundamentales para evitar la contaminación ambiental por fugas de electrolito.

 

Baterías de iones de sodio

Los de iones de sodio son una tecnología emergente que ofrece una alternativa potencialmente más sostenible a la de las baterías de iones de litio. Emplean materiales abundantes y económicos, y podrían mejorar notablemente las actividades futuras de almacenamiento energético.

Química

Similar a la de los iones de litio, pero emplean sodio en lugar del metal anterior para transferir la carga. El cátodo es normalmente un óxido metálico dispuesto por capas, mientras que el ánodo suele ser carbono duro.

Usos habituales

• Almacenamiento de energía a escala de red
• Almacenamiento de energía residencial y comercial
• Vehículos eléctricos
• Dispositivos eléctricos portátiles (aún en desarrollo)

Ventajas

• Materias primas más abundantes y más económicas: el sodio es mucho más abundante que el litio, lo que abre la puerta a reducir los costes y disfrutar de mayor sostenibilidad en la producción.
• Posibilidad de mayor respeto ecológico: Los materiales utilizados en las baterías de iones de sodio suelen ser menos tóxicos y más fáciles de reciclar que los de las de iones de litio.
• Posibilidad de descarga total por mayor seguridad de transporte: A diferencia de las baterías de iones de litio, las de iones de sodio se pueden descargar por completo, lo que facilita las actividades logísticas de envío y el almacenamiento.

Contras

• Menor densidad energética que los iones de litio: es posible que las baterías de iones de sodio no sean adecuadas para tareas en las que el peso y el tamaño sean cuestiones esenciales.
• Tecnología aún en las primeras etapas de comercialización: como tecnología más reciente que son, las baterías de iones de sodio aún tienen que demostrar su fiabilidad y rendimiento a largo plazo en usos reales.
• Escasos registros de uso en tareas de gran envergadura: la escasez de datos de campo hace que sea difícil predecir el rendimiento a largo plazo y los posibles problemas.

 

Baterías de níquel

Si bien menos habituales en instalaciones nuevas, las baterías a base de níquel siguen usándose en algunas aplicaciones estacionarias. Ofrecen fiabilidad y soportan condiciones ambientales difíciles.

Química

Las baterías a base de níquel utilizan oxihidróxido de níquel (NiOOH) como electrodo positivo. El electrodo negativo y el electrolito son distintos en los diferentes tipos de unidades. Durante la descarga, el electrodo de oxihidróxido de níquel se reduce a hidróxido de níquel, mientras que el electrodo negativo se oxida. Este proceso se invierte durante la carga.

Tipos

1. De níquel-cadmio (NiCd): famosa por su durabilidad.
2. De hidruro metálico de níquel (NiMH): ofrece una mayor densidad de energía que las de NiCd sin el uso de cadmio tóxico.

Usos habituales

• Sistemas industriales de alimentación auxiliar
• Señalización ferroviaria
• Arranque de aviones y alimentación de emergencia
• Sistemas de telecomunicaciones remotos

Ventajas

• Resistencia y durabilidad: las baterías de níquel pueden soportar condiciones adversas, incluida la tensión física.
• Vida útil prolongada: si se les efectúa el correcto mantenimiento, las baterías de níquel pueden durar muchos años y aguantar miles de ciclos.

Contras

• Menor densidad energética que los iones de litio: las hace menos idóneas para tareas en las que el espacio y el peso son cuestiones esenciales.
• Efecto de memoria (especialmente en las de NiCd): los ciclos de descarga parcial pueden provocar una pérdida de capacidad aprovechable, por lo que se necesita de ciclos periódicos de descarga completa.
• Problemas medioambientales del cadmio en las baterías de NiCd: la naturaleza tóxica del cadmio ha dado lugar a restricciones en el uso de la batería de NiCd en muchas regiones.

 

La importancia de efectuar comprobaciones adecuadas

Cada una de estas tecnologías de batería necesita de una batería de comprobaciones concreta para garantizar un rendimiento, seguridad y longevidad óptimos. Los métodos de comprobación y su frecuencia varían significativamente entre los diferentes tipos de batería. Por ejemplo,

• las baterías de plomo-ácido a menudo necesitan de mediciones periódicas de gravedad específica, comprobaciones de capacidad y mediciones de ohmios para evaluar el estado en el que se encuentran.
• Para las baterías de iones de litio resulta beneficioso llevar a cabo monitorizaciones de estado complejas y mediciones de impedancia para detectar indicios tempranos de deterioro.
• Es posible que las baterías de flujo necesiten un análisis de composición de electrolitos además de las comprobaciones eléctricas habituales para garantizar un rendimiento óptimo.

Llevar a cabo las debidas comprobaciones es esencial no solo para mantener el rendimiento de la batería, sino también para garantizar la seguridad y la fiabilidad de los sistemas de almacenamiento energético. Las comprobaciones periódicas pueden ayudar a detectar posibles problemas antes de que se produzcan averías, optimizar las estrategias de administración de la batería y prolongar la vida útil general del sistema de almacenamiento de energía.

 

Conclusión

Las baterías estacionarias son diversas, y cada tecnología tiene sus propias ventajas y dificultades. A medida que continuemos evolucionando nuestras capacidades de almacenamiento de energía, es probable que observemos más innovaciones y mejoras en la tecnología de las baterías.

Conocer las características de los diferentes tipos de batería es fundamental para elegir la tecnología adecuada para finalidades concretas. Igualmente importante es disponer baterías de pruebas y mantenimiento adecuadas para garantizar que estas baterías funcionen de manera óptima durante toda su vida útil.

En nuestra próxima publicación, estudiaremos las complejidades de efectuar comprobaciones en diferentes tecnologías de batería y cómo las soluciones de Megger pueden ayudar a garantizar la fiabilidad y longevidad de los sistemas de almacenamiento energético.

 

 

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