acumuladores de energía

Recursos Energéticos Complementarios

Acumulación de energía eléctrica Pág. 1

1 ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

GENERALIDADES

La producción eléctrica a partir de recursos renovables suele estar sujeta a un cierto grado de

aleatoriedad y en muchos casos a ciclos de producción que no coinciden con los ciclos de consumo. Este

perfil de generación más o menos aleatorio puede ajustarse a algunas aplicaciones tales como bombeo. Sin

embargo en la mayoría de las ocasiones se requiere un mayor nivel de disponibilidad de la energía. En estos

últimos casos se hace necesario el uso de sistemas de acumulación.

Los acumuladores desempeñan tres importantes funciones:

Autonomía: satisfacen los requerimientos de consumo en cualquier momento incluidos los

de baja o nula actividad energética.

Suministro de picos de intensidad: suministrando, cuando sea necesario, corrientes

mayores a las que pueda suministrar en el generador como para arrancar motores o equipos

similares

Estabilización del voltaje: evitando fluctuaciones dañinas para el correcto funcionamiento

de los consumos.

Dependiendo del tipo de aplicación los acumuladores pueden funcionar en distintos tipo de ciclos

de carga y descarga.

Ciclo diario superficial: la función del acumulador es el suministro de energía en las horas

de baja producción y garantizar un número de días de autonomía. Ocasionalmente se puede

presentar alguna descarga profunda. Este caso es el modo de funcionamiento menos

agresivo para un acumulador. Es el funcionamiento típico de sistemas fotovoltaicos

autónomos.

Ciclo anual: en este caso además del ciclo diario, el acumulador está sometido a un ciclo

estacional motivado por la distinta producción dependiendo del mes o estación del año. Las

condiciones de funcionamiento son más severas que en el caso anterior porque existen largos

periodos en estado de baja carga.

Ciclo profundo: en esta caso el acumulador presenta un ciclo caracterizado por una descarga

profunda sin embargo no es necesario que garantice días de autonomía ya que se cuenta con

un sistema auxiliar de energía. Es el caso típico de sistemas híbridos.



La acumulación se realiza transformando la energía eléctrica en otro tipo de energía. Esta energía

acumulada debe ser capaz de volverse a transformar en energía eléctrica cuando sea requerida por los

consumos que están conectados al sistema.

1.1 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA MECÁNICA

La energía se puede transformar en energía mecánica a través de distintas posibilidades:

Energía potencial por bombeo: la energía eléctrica se almacena bombeando agua hasta un

depósito situado a mayor altura para dejarla caer de nuevo cuando se necesite recuperarla. Se puede instalar

tanto en espacios naturales como en presas artificiales, por lo que está indicado para acumulación a gran

escala. Este sistema presenta como ventajas su bajo coste de operación y mantenimiento y su larga vida útil.

Sin embargo presenta un alto coste de inversión inicial y su baja densidad de energía (3Wh/m3 por metro de

desnivel)

Energía cinética de rotación (volantes de inercia): los volantes de inercia (flywheels) son

sistemas que almacenan la energía eléctrica en forma de energía cinética de rotación. La energía que se

puede acumular en un volante de inercia se puede expresar como:

E = 1/2 I w2

Donde I es el momento de inercia de la unidad rotora que gira a una velocidad angular w. sus

componentes básicos son rotor, eje, cubierta de vacío, cojinetes. El rotor (cuyo diámetro puede variar desde

centímetros a varios metros con velocidades entre 2000 y 200.000 rpm) convierte la energía eléctrica que le

llega en rotacional.

Los volantes de inercia pueden almacenar energía entre 5 y 500 kWh. Sin embargo no pueden

almacenar la energía por largos períodos de tiempo. Esta característica los hace muy útiles para aplicaciones

en sistemas de alimentación ininterrumpida, vehículos eléctricos o como fuente de energía puente en

sistemas híbridos (FV-diesel, eólico-diesel)

Actualmente es una tecnología no competitiva debido a su alto coste. Se está trabajando en la

búsqueda de nuevos materiales que mejoren su densidad de energía y nuevos diseños como la suspensión

magnética.

1.2 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Se puede acumular energía en el campo magnético de una bobina (almacenamiento inductivo) o en

el campo eléctrico de un condensador (almacenamiento capacitivo). Actualmente hay un gran interés en los

capacitores de gran potencia denominados ultracapacitores o supercapacitores. Existen dos tipos de diseño

de los supercapacitores:

1. placa paralela fabricados con polímeros de lámina delgada o con materiales cerámicos.

2. doble capa

Estos dispositivos tienen como principal desventaja su relativa baja densidad de energía (3-30

Wh/kg) en comparación con las baterías convencionales. Pero por otro lado presentan una serie de ventajas:

• Se pueden recargar muy rápidamente (incluso en segundos) y a cualquier valor de voltaje

(asociándolos en serie)

• Pueden entregar elevados y frecuentes pulsos de energía sin dañarse.

• Presentan un alto número de ciclos de vida.

Las características de los supercapacitores les hace interesantes para su uso en sistemas fotovoltaicos

híbridos que trabajen en condiciones de alta radiación o con exceso de energía almacenada



1.3 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA QUÍMICA

Consiste en la acumulación de la energía eléctrica transformándola en energía química a partir de

uno o varios compuestos que al reaccionar sean capaces de absorber o desprender energía. El ejemplo más

representativo es el de las pilas de combustible. La pila de combustible es un dispositivo que convierte la

energía química directamente en electricidad y calor. Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas

tienen en común el uso de hidrógeno como combustible. Algunas, como las pilas de óxidos sólidos, pueden

utilizar CO, lo que las hace más versátiles cuando estamos utilizando combustibles como el gas natural o el

propano.

Las pilas de combustible pueden ser consideradas como acumuladores recargables en el sentido de

que suministrándoles combustible y aire, no se agotan. Los tipos más comunes son:

Pilas de combustible de ácido fosfórico

Pilas de combustible de carbonatos fundidos

Pilas de combustible de polímeros sólidos

Pilas de combustible de óxidos sólidos

Todas ellas nombradas en función de su electrolito. Debido al uso de diferentes materiales y

temperaturas de operación en cada caso, cada una de ellas tiene diversas ventajas y campo de aplicación,

pero todas comparten el potencial de ser fuentes de generación de energía de alta eficiencia y bajas

emisiones contaminantes.

Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrólito. Oxígeno pasa

sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al

ocurrir esto ambos (hidrógeno y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El

hidrógeno migra hacia el otro electrodo a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un

material conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil. Para generar cantidades

utilizables de corriente las celdas de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas.

Las celdas de combustible son una familia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que

operan a diferentes temperaturas. Cada miembro de esa familia tiende a ser más apropiada para ciertas

aplicaciones. Por ejemplo, las celdas de combustible de membrana eléctrica polimérica han demostrado ser

apropiadas para su aplicación en autos, mientras que las celdas de combustible de carbonatos fundidos

parecen ser más apropiadas para uso con turbinas a gas.



TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE

Ácido fosfórico (PAFCs). Este es el tipo de celda de combustible más desarrollado a nivel comercial

y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas,

escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las Celdas de Combustible de ácido fosfórico

generan electricidad a más del 40% de eficiencia – y cerca del 85% si el vapor que ésta produce es empleado

en cogeneración – comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Las

temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 200ºC. Este tipo de celdas pueden ser usadas en

vehículos grandes tales como autobuses y locomotoras.

Polímero Sólido ó Membrana de Intercambio Protónico (PEM). Estas celdas operan a relativamente

bajas temperaturas (unos 90C), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente

para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una

demanda inicial rápida, tal como en el caso de automóviles. Parece que "son los principales candidatos para

vehículos ligeros, edificios, y potencialmente para otras aplicaciones mucho más pequeñas como el

reemplazamiento de baterías recargables en vídeo cámaras".

Carbonato Fundido (MCFCs). Las Celdas de Combustible de Carbonato Fundido prometen altas

eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera

a temperaturas del orden de los 650C.

Óxido Sólido (SOFCs). Otra Celda de Combustible altamente prometedora, la celda de Combustible

de Óxido Sólido, podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de

generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo

de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos motores. Una prueba de 100kW está

siendo terminada en Europa mientras que dos pequeñas unidades de 25kW se encuentran ya en línea en

Japón. Un sistema de Óxido Sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrólito

líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1000C. Las eficiencias de generación de

potencia pueden alcanzar un 60%.

Alcalinas. Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de

celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de

potasio como electrólito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales

pero varias compañías están examinando formas de reducir estos costos y mejorar la flexibilidad en su

operación.

Otras Celdas de Combustible. Nuevos miembros de la familia de Celdas de Combustible, tales

como las de Metanol Directo, pueden surgir como resultado del presente trabajo llevado a cabo en

laboratorios privados y gubernamentales.

1.4 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA ELECTROQUÍMICA

Las baterías almacenan la energía eléctrica transformándola en energía electroquímica y son

probablemente la forma actual más importante de almacenamiento de electricidad.

Básicamente las baterías se clasifican en primarias o secundarias según la manera como convierten su

energía química en eléctrica.

Las baterías primarias o pilas son aquellas que tienen energía almacenada en forma de reactivos

químicos que se libera como energía eléctrica cuando son conectadas, pero lo hacen en un solo ciclo, es decir

que una vez descargadas no es posible recuperarlas. Se dice que tienen un solo ciclo de descarga. El ejemplo

más conocido es la pila seca o de Leclanché, ampliamente utilizada.

Las baterías secundarias son aquellas en las que las reacciones químicas que participan en la

conversión de energía son reversibles en un grado más o menos completo, en otras palabras son sistemas que

permiten ser recargados, es decir que poseen más de un ciclo de carga y descarga (pueden ser miles de

ciclos). La batería secundaria suele llamarse acumulador. En este tipo de baterías se encuentra el sistema más



ampliamente utilizado, la batería de plomo-ácido (Pb-ácido). Esta batería, a pesar de haber pasado más de un

siglo desde su invención, ofrece unas prestaciones que no han sido superadas totalmente hasta ahora.

Otra batería de uso industrial, y en los últimos años de amplia utilización en telefonía celular, son las

baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) o níquel-hierro (Ni-Fe)

2 BATERÍAS. EVOLUCIÓN HISTÓRICA

2.1 FUERZA ELECTROMOTRIZ

Para que haya una caída de potencial y se mantenga en un circuito es preciso que haya alguna causa

que lo eleve. Esta causa es llamada fuerza electromotriz y se crea por algún agente, como, por ejemplo una

pila. La fuerza electromotriz se mide con la misma unidad que la diferencia o caída de potencial, o sea, en

voltios. Los generadores de fuerza electromotriz pueden compararse a bombas cuya misión es impulsar un

líquido desde un nivel bajo a otro más alto. Por el contrario, la caída que provoca la resistencia es análoga al

descenso de nivel de una corriente de agua que se desplaza por la acción de la gravedad.

2.2 PAR GALVANICO

En 1786, Galvani, profesor de anatomía de la universidad de Bolonia, descubrió casualmente el

primer generador de f.e.m. capaz de mantener una circulación continua de electricidad. Observó que los

músculos de las ancas de rana despellejadas recién preparadas se contorsionaban por la acción de descarga

eléctrica, cuando ésta se verificaba en una máquina eléctrica situada en sus inmediaciones. Observó además

que si se colgaban de un gancho de cobre en forma que éste atravesase su nervio lumbar, sus músculos se

contraían violentamente cuando las ancas se ponían en contacto con el barandal de hierro de su balcón. Este

segundo descubrimiento, aunque consecuencia del primero, fue también accidental, pero condujo a la

investigación de la llamada fuerza electromotriz de contacto.

Galvani llego a la conclusión correcta de que la contracción de los músculos era debida a un estímulo

eléctrico, y supuso que la corriente se originaba en los tejidos del animal como una especie de fluido. Pero

Volta, de la Universidad de Padua, discutió con él esta última conclusión, y demostró que el origen de la

electricidad estaba en el contacto de los dos metales distintos, cobre y hierro, que se realizaba a través del

anca húmeda de la rana. De acuerdo con dicho punto de vista construyó Volta su pila voltaica, en la que

amplió el efecto del contacto citado estableciendo una serie de dichos contactos o pares voltaicos. Cada par

está separado por un disco de paño humedecido con una solución de ácido sulfúrico, de sal o simplemente

con agua, y está construido por dos discos uno de plata y otro de cobre, y los distintos pares se apilan uno

sobre otro separados por los paños. Estos sustituyen al anca de rana, y el sentido de la f.e.m. es desde el

cobre a la plata a través del disco de paño. Se puede desarrollar un voltaje bastante grande apilando gran

número de pares para formar la pila voltaica.

Cuando metales distintos están separados por un electrolito o una capa delgada de un gas, capaces

de actuar sobre ellos, se establece entre dichos metales una diferencia de potencial. Los diversos metales

pueden ordenarse en una serie, en la cual cada uno de ellos sea más electropositivo que los que le siguen.

2.3 PILA ELÉCTRICA

Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrolito

(que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un

conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los

electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica.

Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía

ha sido convertida, se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las que el producto químico puede ser

reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección opuesta a la operación normal de la

pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.



2.4 PILA DE DICROMATO

Desarrollada en 1850, la pila de dicromato consistía en electrodos de cinc y carbono situados en un

frasco de cristal lleno de ácido crómico. El diseño de esta batería fue considerado mucho más seguro que el

de sus precedesoras, pues no utiliza ácido nítrico concentrado que desprende humos venenosos.

2.5 PILAS PRIMARIAS O PILA SECA

La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés

Georges Leclanché en los años sesenta. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El

electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo

negativo es de cinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono

rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de

unos 1,5 V.

Son útiles para servicio intermitente, como en timbres eléctricos, y la pila seca, ha permitido la

construcción de lámparas portátiles. Estas pilas tienen una resistencia interior muy inferior a la de Daniell, lo

que les permite crear corrientes más intensas por corto tiempo. Pero, a diferencia de la pila Daniell, la de

Leclanché, no puede usarse continuamente.

Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como

batería de mercurio, desarrollan un voltaje superior al de la pila de Daniell, esto es una consecuencia

respecto a series potenciales de contacto en las que el grafito (una forma del carbono), está más alejado del

cinc que el cobre. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y

relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el

electrolito es una disolución de Cloruro de amonio. El anión cloro se desplaza hacia el cinc, y cuando la pila

esta en funcionamiento, se une con el para formar cloruro de cinc. El catión amonio tiende a reaccionar con

el agua, en el electrodo de carbón, formando hidróxido amónico y liberando un catión hidrogeno de acuerdo

con la relación.

H2O + NH4 H + NH4OH

La batería de mercurio produce unos 1,34 V.

Las llamadas pilas secas, son esencialmente pilas de Leclanché cuyo electrolito esta constituido por

varios componentes además del cloruro de amonio, los que forman una pasta húmeda o gelatinosa cuando la

pila deja de funcionar es cuando realmente seca.

La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos

químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.

2.6 PILAS SECUNDARIAS

El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse revirtiendo la reacción química, fue

inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y

es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería que habitualmente contiene de tres a seis pilas

conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que

puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente.

El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo

positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones

libres e iones positivos de plomo.

Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan

con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en



la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo

reacciona con los iones hidrógeno del electrolito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos

últimos se liberarán en el electrolito produciendo nuevamente sulfato de plomo.

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en

agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se revierten

hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una

vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de

plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.

Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el

inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en

la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo de óxido de

níquel y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la

desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria

pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce aproximadamente unos 1,15 V.

Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio,

en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Es decir está constituida de la siguiente

manera:

Electrolito alcalino (disolución acuosa de hidróxido potásico)

Cátodo: Óxido de níquel hidratado

Ánodo: Cadmio

El electrolito no participa en la reacción, sólo actúa de soporte, por tanto su densidad se mantiene

constante. La reacción que ocurre en el proceso de descarga es la siguiente:

Cd + 2 NiO(OH) + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2

Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

Frente a las baterías de Pb-ácido presenta las siguientes ventajas:

Larga vida (pueden llegar a más de 5000 ciclos de carga-descarga).

Buena respuesta a descargas profundas y sobrecargas.

Bajo mantenimiento.

Mejor rendimiento a temperaturas bajas que las de plomo-ácido.

No se producen gases corrosivos.

Desventajas

Costo por Amperio hora es alto.

Algunos tipos (sinterizados) pierden material activo por reacciones cuando no se utiliza

(MEMORIA).

Mayor auto descarga.

Menor capacidad en descargas lentas.

Contiene cadmio (metal pesado de gran toxicidad ambiental).

Baterías Niquel-Hidruro Metálico (metal hidratado): Este tipo de baterías ofrecen en torno a una

mejora de un 40% de capacidad (autonomía) suplementaria respecto a las de NiCd de un volumen

equivalente. No están sujetas al efecto memoria y tienen una vida media de unos 700 ciclos de carga. Se usan

habitualmente portátiles y teléfonos móviles.



Baterías Lithium-Ion : Estas baterías tienen un gasto de producción elevado y muy costoso que se

refleja en su precio final. Su ciclo de vida se sitúa alrededor de los 600 ciclos de carga/descarga. Sin embargo

ofrece una capacidad equivalente y más fiable dando una densidad de energía más elevada y constante que

las baterías de Ni/Cd o Ni/MH. Su uso está recomendado para los usuarios exigentes y con trabajo intenso.

Todos hemos sufrido alguna vez en nuestra cámara digital tras sacar alguna foto como el indicador de

batería indicaba sin carga y tras unos segundos volver a estar estable, con las baterías de LI-IO este efecto no

sucede.

Baterías de alcohol: Los investigadores de Motorola Labs han adelantado una etapa más en el

desarrollo de una nueva tecnología de baterías. Han construido y presentado un prototipo de una

micro-batería apta a producir energía a partir del metanol, también designado de alcohol. El funcionamiento

consiste en la mezcla de oxigeno y metanol dentro de un envoltorio cerámico, que genera energía a la

temperatura ambiente.

El objetivo es crear una batería pequeña y barata, con una autonomía muy superior a la de las

baterías de Litio, y que en el futuro pueda por ejemplo alimentar un móvil durante un mes. Fue testada

durante varias semanas sin que presentase señales de degradación relevantes. Pero esta tecnología no se

quedará por los teléfonos móviles, todo que sea portátil podrá un día ser aún más pequeño y fácilmente

transportable.

3 BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO

A pesar del gran esfuerzo realizado en investigación de los diferentes tipos de materiales las baterías

de plomo ácido son las preferidas e insuperables por el amplio de aplicaciones que tienen. El plomo es

abundante y no demasiado caro y es por esta razón por la cual es idóneo para la producción de baterías de

buena calidad en grandes cantidades.

Hoy por hoy, es el tipo de acumulador más utilizado y constituye aproximadamente el 90% del

mercado actual en sistemas productores de energía.

Presenta como principales ventajas su gran disponibilidad, bajo coste, buen rendimiento tanto

faradaico como energético, alta fiabilidad de utilización, amplio rango de temperaturas de operación, bajo

nivel de auto descarga y un razonablemente alto número de ciclos de vida. Sin embargo también presenta

algunas desventajas a tener en cuenta: baja densidad de energía y un pobre comportamiento operando en

condiciones extremas tanto de descargas profundas como fuertes sobrecargas.

Las baterías de plomo ácido son baterías electroquímicas constituidas por un electrodo positivo de

dióxido de plomo y un electrodo negativo de plomo metálico esponjoso. Ambos electrodos están

sumergidos en una disolución de ácido sulfúrico y agua con una concentración nominal del 37% en peso. La

densidad nominal del electrolito para esta concentración es de 1,24 g/cm3 . El voltaje nominal de celda es de

2V.

3.1 CONSTITUCIÓN

Las primeras baterías de plomo-ácido (acumuladores de plomo), fueron fabricadas a mediados del

siglo XIX por Gaston Planté. Hoy en día todavía son uno de los tipos de baterías más comunes. Se descubrió

que cuando el material de plomo se sumergía en una solución de ácido sulfúrico se producía un voltaje

eléctrico el cual podía ser recargado.

Este tipo de baterías es único en cuanto que utiliza el plomo, material relativamente barato, tanto

para la placa positiva como para la negativa. El material activo de la placa positiva es óxido de plomo (PbO2).

El de la placa negativa es plomo puro esponjoso y el electrolito está disuelto en (H2SO4). Cuando hablamos

de material activo en las baterías de ácido de plomo, nos referimos al óxido de plomo y al plomo esponjoso.

Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas

electroquímicas. Cada una de estas celdas está compuesta de un electrodo positivo y otro negativo además

de un separador. El conjunto de celdas están debidamente selladas al exterior pudiendo tener una válvula de



ventilación para dejar escapar los gases generados en las reacciones. El contenedor puede ser transparente

para poder controlar el nivel de electrolito. Además las placas de los vasos están

conectados debidamente y accesibles desde el exterior mediante 2 bornes de conexión.

Cuando la batería se está descargando un cambio electroquímico se está

produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos. Los electrones son

transportados entre el electrodo positivo y negativo vía un circuito externo (bombillas,

motores de arranque etc.).



3.2 TIPOS DE BATERÍAS PB-ÁCIDO SEGÚN SU UTILIZACIÓN

La tecnología del plomo ácido puede variar según las diferentes necesidades existentes. Las baterías

se clasifican en grupos según el uso que estas tengan y por su diseño. Existen distintos tipos de baterías de

plomo ácido dependiendo de la función a la que están destinadas.

Los tipos más comunes de baterías de plomo son:

• Baterías de tracción: Son las que se utilizan para alimentar vehículos eléctricos para

carretillas elevadoras, sillas de ruedas eléctricas, automóviles eléctricos, locomotoras de

minas, maquinaria industrial o alumbrado de ferrocarriles y barcos. Estas baterías operan

con regímenes de descarga muy profundos (80%) durante espacios de tiempo relativamente

cortos (8 horas por ejemplo) y cargas profundas y rápidas por lo que deben tener una

elevada resistencia al ciclado.

• Baterías estacionarias: para fuentes de alimentación de emergencia y fuentes de

alimentación ininterrumpida para usos de informática (UPS), sistemas fotovoltaicos

autónomos. El régimen de descarga de un acumulador estacionario es más lento que el de

los otros tipos de baterías. No obstante debe ser capaz de trabajar largos períodos de tiempo

con un estado de carga (SOC) bajo. Permanecen largos periodos en flotación totalmente

cargadas y resisten profundas descargas esporádicas.

• Baterías de arranque: para arrancar automóviles y otros vehículos de motor diesel y

gasolina. Tienen que ser capaces de descargar el máximo de corriente posible en un corto

espacio de tiempo manteniendo un alto voltaje. Tienen que ser capaces de aguantar muchas

descargas incluso con cambios fuertes de temperatura.

Además de estos hay baterías especiales para otras áreas tales como control remoto, herramientas

portátiles, motores de carretillas etc.



DIFERENCIAS EN LA CONSTRUCCIÓN

Aunque básicamente todos los tipos tienen el mismo el mismo principio de funcionamiento,

presentan diferencias de diseño y constructivas para una mejor adaptación a cada necesidad funcional. Las

diferencias principales entre estos grupos se dan por la estructura y diseño de los electrodos (o placas), el

material activo y el electrolito

- Baterías de tracción. Las baterías de tracción están sujetas a una constante descarga,

durante los periodos de tiempo de utilización, lo que supone un alto grado de descarga.

Presentan un elevado consumo de agua lo que requiere un mantenimiento constante. Sus

principales características de diseño son el uso de placas tubulares para minimizar la

pérdida por el desprendimiento de materia activa durante las descargas profundas y el

uso de rejillas con antimonio que mejora su resistencia al ciclado.

Las baterías de tracción tienen electrodos muy gruesos con rejillas pesadas y un exceso de

material activo.

- Baterías estacionarias. Las baterías estacionarias están constantemente siendo cargadas y

se debe tener cuidado de evitar que se sequen. El electrolito y el material de la rejilla del

electrodo están diseñados de forma que se minimice la corrosión. Sus principales

características de diseño son el uso de placas y separadores gruesos y rejillas con bajo o

nulo contenido de antimonio.

- Baterías de arranque. Además del régimen de trabajo, el peso, el diseño y la forma son

también características determinantes.

Normalmente sólo descargan un porcentaje pequeño de su capacidad por lo que no

requiere una gran resistencia al ciclado. Para poder cumplir su tarea principal que es

arrancar un motor, se necesita mucha energía en un periodo corto de tiempo. Las baterías

de arranque tienen generalmente una baja resistencia interna.

Esto puede lograrse con una gran área de superficie de electrodo, un pequeño espacio

entre placas y unas conexiones "heavy-duty" (resistentes a duros servicios) entre celdas.

También se recurre a un elevado número de placas planas conectadas en paralelo para

reducir su resistencia interna y. al uso de separadores muy finos y un electrolito de baja

densidad.

3.3 QUÍMICA DE LAS BATERÍAS DE PB-ÁCIDO

Cuando una batería está descargándose está teniendo lugar un cambio electroquímico del material

activo en ambos electrodos. En términos sencillos el material en el electrodo negativo se oxida y se liberan

electrones por lo que se convierte en más negativo (reacción anódica). Al mismo tiempo el material en el

electrodo positivo se reduce y el electrodo se convierte en más positivo (reacción catódica). Los electrones

viajan entre los electrodos por un circuito exterior el cual conecta el polo positivo con el negativo.

El proceso produce sulfato de plomo tanto en la placa positiva como en la negativa.

Las reacciones durante la carga pueden describirse como:

Reacción de la Placa Negativa (Plomo Esponja): PbSO4 + 2e- Pb + SO4-2



Reacción de la Placa Positiva (PbO2): PbSO4 + 2H2O PbO2 + SO4-2 + 4H+ + 2e-

La reacción global sería:

2PbSO4 + 2H2O PbO2 + Pb + 2H2SO4

3.4 TIPOS DE BATERÍAS PB-ÁCIDO SEGÚN SU ELECTROLITO

Durante el proceso de carga de una batería de plomo ácido, y como reacción colateral, parte de la

energía eléctrica que le enviamos a la batería se emplea en a hidrólisis del agua, desprendiéndose hidrógeno

y oxígeno. Es por este motivo que las baterías convencionales requieren de un mantenimiento que consiste

en comprobar el nivel de electrolito y rellenar con agua si fuese necesario. Con el fin de limitar este proceso

de pérdida de gases se han desarrollado otros diseños para minimizar el mantenimiento de las baterías.

Según esto se distinguen:

- Baterías convencionales abiertas que pueden rellenarse con electrolito. Requieren un constante

mantenimiento por que el hidrógeno y el oxígeno escapan de la batería. Tiene tapones para poder ser

rellenadas.

- Baterías de libre mantenimiento que no pueden ser rellenadas. Sus placas están a menudo hechas

de material puro, lo cual reduce la cantidad de gases formados además estas baterías tienen más ácidos

cuando se fabrican. Por supuesto, este tipo de baterías son más herméticas, aunque suelen tener válvulas

ocultas o tapones. Gradualmente pierden el líquido por los gases formados y no pueden ser rellenadas.

- Baterías de recombinación que no necesitan ser rellenadas ya que el oxígeno y el hidrógeno en

estado gaseoso que hay en la batería se recombinan y forman agua. Convierten el hidrógeno y el oxígeno en

agua. Tienen que ser expresamente construidas para conseguir este efecto. Existen varios tipos de baterías de

recombinación en el mercado hoy en día. Las placas están hechas de aleaciones sin antimonio y en ocasiones

se usa un electrolito en forma de gel (baterías gelificadas) o bien embebido en un tipo especial de

separadores (AGM- fibra de vidrio absorbido). Por otra parte estas baterías se construyen de la misma forma

que las baterías convencionales con sus placas inmersas en un recipiente. Esto limita su capacidad para

recombinarse en un grado alto. Las baterías de recombinación están además equipadas con válvulas para

liberar el gas creado si la batería es sobrecargada. Es por tanto importante controlar el proceso de carga para

no sobrecargarla ya que la perdida de electrolito es irreversible. Este tipo de baterías están adaptadas

fundamentalmente a la industria automotriz.

Existen también baterías abiertas que disponen de unos tapones especiales para recombinar los gases

en agua, de modo que se limita en gran medida las operaciones de mantenimiento, y al mismo tiempo se

permite reponer electrolito desde el exterior.



3.5 TIPOS DE PLACAS

Placas Planté. Son una hoja de plomo en la cual la materia activa es formada electroquímicamente

(corrosión anódica) del mismo plomo de la plancha por medio de procesos de carga y descarga.

Placas Fauré o empastadas.

Placas planas: Las baterías convencionales y las cerradas, como las de recombinación suelen

estar construidas con celdas rectangulares

constituidas por paquetes de placas

suspendidas e inmersas en un contenedor

lleno de electrolito. Sus placas cuelgan

libres. Se caracteriza por una capa

formada a partir de óxidos de plomo, que

reduce el tiempo para formar los

materiales activos positivos y negativos.

En este tipo de placas se utilizan rejillas

para retener el material activo y mejorar

la distribución de la intensidad en la

placa.

Placas tubulares: Otro diseño es la placa tubular que consiste en varillas de plomo aleado con

antimonio recubiertas de fibras sintéticas en forma de tubos.

Placas enrolladas: las celdas están enrolladas, y el electrolito embebido en el material del

separador. Las celdas están embutidas a presión y tienen solidez. La batería está constituida

por menos componentes que en el caso anterior fuertemente unidos y sin elementos sueltos,

débiles o que queden suspendidos y vibren.

Ejemplo de batería de placas enrolladas libre de

mantenimiento AGM

1. Rejillas de plomo de gran dureza.

2. Electrolito absorbido en la fibra de vidrio

microporosa que forma parte del separador.

3. Celda de placas enrolladas en espiral.

4. Válvulas de seguridad autosellantes.

5. Terminales.

6. Conexiones.

7. Caja de plástico y tapa soldada.

Resumen de tipos de baterías según su fisonomía

Electrólitos Tipo de recipiente contenedor Configuración

Líquido Inmovilizado Opaco Vaso (2V)

Baterías

aireadas

Gel (electrolito

gelidificado) Translúcido

Monobloque (6V,

12V) AGM (electrolito

absorbido) Transparente



ALEACIONES DE LAS REJILLAS DE LAS PLACAS

plomo-calcio. El calcio añade fortaleza las placas de plomo, pero la corrosión es mayor operando a

bajos niveles de carga

plomo-antimonio. El antimonio añade fortaleza y se produce un menor desprendimiento del

material activo. Se incrementan las tasas de gases durante la carga, con lo que requiere agua

frecuentemente (mayor mantenimiento).

plomo puro: Muy baja autodescarga, pero tiene un mayor coste de fabricación y cierta fragilidad de

las placas

diferentes pasos en la elaboración y ensamblaje de las placas

3.6 CAPACIDAD

Es la cantidad de energía eléctrica disponible cuando el elemento está totalmente cargado. Se expresa

en Amperios-hora (Ah), y se calcula como el producto de la corriente de descarga a intensidad constante por

el tiempo empleado hasta alcanzar el voltaje de corte

Cn = In * tn



El primer criterio que se utiliza cuando se compara y selecciona baterías es generalmente su

capacidad y su potencia. La capacidad de una batería de arranque normal es de 56 Ah. El test C20 es el

ensayo básico de la capacidad de una batería de arranque. Este ensayo resolvió que la batería tendría que ser

capaz de mantener las luces de posición de un automóvil encendidas 20 horas, por ello para las baterías de

arranque la capacidad nominal viene dada para una descarga de 20 horas.

Las baterías estacionarias, por operar con unos regímenes de descarga mucho más lentos, tienen su

capacidad nominal para descargas de 100 horas.

La capacidad de una batería varía notablemente con el régimen de descarga y con la temperatura.

Por ello en las baterías de arranque suele darse también un dato que es la capacidad de arranque en frío

(cuanta corriente puede ser entregada durante 30 segundos a -18 C con una tensión final de mayor ó igual a

7,2 Volt).

La capacidad viene determinada por:

Cantidad de materiales activos

Número y geometría de las placas

Composición química y porosidad, etc.

Depende de:

Régimen de descargaTiempo de descarga

Voltaje de corte

Temperatura

Grado de envejecimiento

El voltaje de corte está siempre por encima del crítico inferior, que es aquel por debajo del cual la

batería sufre daños irreversibles. Por tanto hay un porcentaje de materia activa que no produce electricidad

(alrededor de un 20%) dado que la profundidad de descarga (DOD) nunca llegará al 100%. Esa materia

activa no contribuye efectivamente a la capacidad de la batería.

INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE DESCARGA EN LA CAPACIDAD

A elevados regímenes de descarga las baterías suministran menor capacidad. Las reacciones son más

superficiales. El ácido no penetra profundamente en la placa, por tanto podemos afirmar que en una

descarga rápida la capacidad viene limitada por la difusión iónica, mientras que en una descarga lenta está

limitada por la cantidad de materia activa.

PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA BATERÍA QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD

La capacidad total de una batería en unas determinadas condiciones viene determinada tan solo por

la cantidad de materia activa que se halla sobre las placas. Ahora bien, de su diseño dependerá como varía

con el régimen de descarga.

Podemos ilustrar esto viendo la manera en que el área de la superficie esta relacionada con la

potencia y la energía. Si llenamos una cubeta de una cantidad de gasolina y le damos fuego, veremos que

conseguimos una llama que arde durante varios minutos, dependiendo de la cantidad de gasolina utilizada.

Si vertemos la misma cantidad de gasolina en una superficie plana, ésta se quemará en unos pocos segundos.

Y, por último, si pulverizamos la misma cantidad de gasolina en un carburador, ésta se quemará en una

fracción de segundo. La misma cantidad de energía se libera en cada ejemplo.

Según esto, para conseguir que la capacidad de una batería disminuya lo mínimo en descargas

rápidas entonces debemos tener en cuenta:

La batería puede proporcionar más corriente cuanto



1. Mayor área de superficie de plomo. Las baterías cuyo diseño permita que no requieran

ser reforzadas con antimonio o calcio posibilitan utilizar plomo puro. Las placas pueden

fabricarse muy finas, con lo que el total de la superficie de plomo sea mayor. Además

claro está dependerá del tamaño de la placa.

2. Más puro sea el plomo de sus electrodos,

3. Más pequeño sea el espacio entre los electrodos. El ácido 'embebido' en las baterías

AGM la absorción del ácido por un fino separador de microfibra de vidrio, hace posible

empaquetar las placas muy apretadamente. La precisa cantidad de ácido calculada en los

separadores y el material esponjoso de la celda fomentan la reacción química.

4. Baja resistencia interna. Menor será la oposición al paso de los electrones. Esta

característica viene relacionada con las anteriores dado que depende de la pureza de los

electrodos, de su separación y área de contacto con el electrolito.

Estos diseños tienen gran importancia en las baterías de arranque por su elevado régimen de

descarga, no siendo así en las estacionarias, que el diseño se centrará en minimizar desprendimientos de

materia activa y baja corrosión entre otros, dado que la solicitación más importante es que el hecho de

trabajar durante periodos de tiempo largos con un SOC bajo. Por ello su diseño es de placas y separadores

gruesos.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA CAPACIDAD

Las baterías no pierden su capacidad total a bajas temperaturas, pierden, sin embargo, su capacidad

de liberar la energía. Lo que sucede es que las reacciones químicas en las baterías son más lentas cuando la

temperatura baja. Por tanto a bajas temperaturas disminuye la capacidad para un determinado régimen de

descarga, pero la capacidad total permanece idéntica.

Normalmente, el tiempo utilizado para un proceso químico se multiplica por dos cada vez que la

temperatura disminuye 1OºC. Esto se puede comparar con el comportamiento del aceite con el frío. Cuando

la temperatura baja el aceite se vuelve más viscoso, y consiguientemente más denso.

Expresado en términos químicos el ácido sulfúrico (H2 S04 ) cercano al electrodo de plomo, reacciona

para convertirse en sulfato de plomo (Pb S04 ). Cuando esto ha sucedido, el ácido más lejano a los electrodos

debe de moverse hacía ellos para que se de la reacción. Este movimiento es más lento en condiciones de frío.



3.7 CARACTERÍSTICAS PROPIAS DE LOS ACUMULADORES ESTACIONARIOS

La misión de un acumulador en una instalación solar fotovoltaica es la de suministrar energía en los

momentos en que no hay incidencia luminosa sobre los paneles, o ésta es muy débil. Deben cumplir además

dos importantes funciones:

Satisfacer una elevada demanda de potencia en un breve espacio de tiempo. Es el caso de

los motores de inducción, que requieren en el arranque una punta de energía varias veces superior a

su potencia nominal, mucho mayor que la que los paneles podrían generar en las condiciones más

favorables de iluminación.

Mantener la tensión estable. La tensión de salida del panel varía según la energía incidente.

El acumulador mantiene un nivel constante del voltaje, independientemente de las variaciones de

incidencia luminosa.

RÉGIMEN DE TRABAJO

Ciclos de carga-descarga

El acumulador estacionario en una instalación fotovoltaica esta sometido a una serie de ciclos de

trabajo; cada ciclo comprende la descarga del acumulador, bajo un determinado régimen, seguido de la

subsiguiente recarga. El acumulador estacionario debe ser diseñado para soportar el máximo número posible

de ciclos carga-descarga.

Durante el día los paneles generan energía que reemplea en satisfacer los consumos; la energía

sobrante será absorbida por la batería (proceso de carga). Durante la noche, cuando el consumo es

precisamente más elevado, la energía se extrae exclusivamente de la batería (proceso de descarga). Se

completa así un ciclo diario de carga-descarga, que se irá repitiendo si las condiciones de iluminación son

favorables. Sin embargo, si se produce un período de tiempo nublado, casi todo el consumo se hace a

expensas de la energía acumulada en la batería, sin que ésta pueda recargarse, al pasar el período

desfavorable, los paneles irán recargando la batería, pero hasta llegar a capacidad plena tardarán varios días,

ya que al existir consumo, sólo una parte de la energía que producen será almacenada. De esta forma se

completa un ciclo autónomo de la batería (la demanda energética se satisface únicamente con la capacidad

útil e la batería).

Régimen de descarga

El régimen de descarga de un acumulador estacionario de aplicación solar es mucho más lento que

el de otros tipos (arranque o tracción). Por ello la capacidad de las baterías suelen venir referidas a una

descarga de 100 horas, que es aproximadamente el período mínimo de autonomía exigible. Los

acumuladores estacionarios deben tener un diseño que pueda obtener la máxima capacidad para estos

regímenes de descarga.

Profundidad de descarga

Depende de la intensidad con la que se realice la descarga en un ciclo determinado de trabajo.

Generalmente en una instalación fotovoltaica la batería se descarga cada día entre un 10 y un 30% de la

energía almacenada. La profundidad de descarga admisible no debe ser superior al 80% de la capacidad

nominal de la batería.

Trabajo en baja carga

Otra diferencia fundamental con los acumuladores empleados en otras aplicaciones es que éstos no

trabajan en baja carga; sin embargo el acumulador estacionario de uso solar puede soportar un régimen de

trabajo de varios meses sucesivos con el 30% de su capacidad y luego recuperarse totalmente una vez

cargado.

Estado de carga. Voltaje



La tensión nominal de cada elemento de un acumulador solar es de 2 V, sin embargo la tensión real

depende del estado de carga en que se encuentre. El voltaje disminuye a medida que la batería se descarga, y

aumenta cuando se está cargando, hasta llegar a un máximo.

La medida del voltaje en bornes de la batería indica su estado de carga; pero dicha medida es difícil

de obtener en la práctica se suele recurrir a medir la densidad relativa del electrolito. Como veremos más

adelante la densidad depende del estado de carga y de la temperatura.

Antes de llegar a voltaje cero, se alcanza un voltaje crítico, por debajo del cual la batería sufre daños

irreversibles si se continúa la descarga.

Vida útil

La vida de servicio de una batería no se mide en años, sino por la cantidad de ciclos de carga-

descarga que es capaz de realizar. Así, si se la somete a un régimen de trabajo de muchos ciclos diarios,

probablemente sólo durará unos meses, mientras que si el régimen es de un ciclo al día o incluso más lento –

como ocurre en el caso de iluminación de viviendas con energía solar- la batería puede durar más de 10

años.

Hay que considerar también la profundidad de descarga media que se produce en cada ciclo. Si

dicha descarga es moderada, y sólo ocasionalmente se alcanza una profundidad elevada, el número de ciclos

que soportará la batería será elevado. A medida que la sometemos a descargas más profundas, el número de

ciclos que podrá realizar, y por tanto su vida útil, irá disminuyendo. La profundidad máxima para el

acumulador de plomo ácido es del 80%.

Otro factor que afecta a la vida de una batería es la temperatura. Este factor se analizará más

adelante.

Autodescarga

Consiste en la pérdida de capacidad de una batería causada por fenómenos electroquímicos internos

que tienen lugar en condiciones de circuito abierto, es decir, sin carga conectada e la batería. Esta situación

no es usual en aplicaciones fotovoltaicas.

La autodescarga hay que considerarla como un consumo adicional, que demanda un cierto

porcentaje de la energía almacenada. Su valor característico ronda el 0,5-1% diario.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Capacidad

total

autodescarga

capacidad disponible

capacidad no utilizable



3.8 TEORÍA DE OPERACIÓN DE LA BATERÍA DE PLOMO ÁCIDO

La reacción global como ya vimos en apartados anteriores se caracteriza por la siguiente expresión:

PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + Pb + 2H2SO4

Durante la carga el sulfato de plomo de ambos polos y el agua son recombinados electro

químicamente a plomo, óxido de plomo y ácido sulfúrico por una fuente externa de corriente eléctrica.

En la descarga el óxido de plomo y el plomo reaccionan con el ácido sulfúrico para generar sulfato

de plomo, agua y energía eléctrica.

Durante la carga también se produce otro importante fenómeno: la recombinación de oxígeno, se

genera oxígeno e hidrógeno que se recombinan para formar agua. Si la generación de gases es muy rápida

puede exceder la capacidad de recombinación. La válvula se abrirá para dejar escapar el exceso de gas.

El electrolito cambia de densidad en función del estado de carga

CARGA

La carga es el proceso por el cual la batería almacena energía eléctrica al paso de una corriente

directa por transformación en energía química. Cuando la carga se realiza a una intensidad constante, ésta se

caracteriza por un aumento del voltaje en los terminales de la batería y un aumento del estado de carga

definido como la relación entre la cantidad de carga disponible en un determinado instante y la cantidad de

carga disponible cuando la batería está plenamente cargada. También se observa un aumento de densidad

del electrolito. También debe notarse que el voltaje de carga es superior al voltaje de circuito abierto

(Vcarga=V0 + I*Rint)

H+

H2O

e-

PbSO4

PbO2

H+

PbSO4

H2SO4

Pb

+ - Carga

2,5 V

2 V horas



Durante la carga a tensión constante, la corriente aceptada por la batería va disminuyendo, a medida

que la tensión y el estado de carga de la batería se incrementan. La batería estará completamente cargada

cuando el valor de la corriente se estabilice en un nivel muy bajo. Podemos diferenciar tres zonas durante la

carga:

1.- El voltaje de carga va aumentando de forma suave y lineal. En esta primera etapa de la carga,

toda la corriente a través de la batería se utiliza para restablecer los materiales activos de acuerdo con la

reacción redox global.

2.- A partir de un instante se observa que el voltaje experimenta una subida brusca . En esta

segunda etapa de la carga se superponen dos fenómenos. Por un lado siguen transformándose los materiales

activos de acuerdo con la reacción redox global y por otro lado, según progresa el proceso de carga las

cantidades de material activo empiezan a escasear y parte de la corriente que llega a la batería se invierte en

la hidrólisis del agua de la disolución del electrolito. La reacción se caracteriza como sigue:

Cátodo: 2 [ 2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH- ]

Ánodo: 2 H2O O2(G) + 4 H+ + 4 e-

Global: 6 H2O 2 H2(G) + O2(G) + 4 H+ + 4 OH-

Los iones hidrogeno e hidróxido producidos se neutralizan entre si y el cambio neto es:

2 H2O -electrólisis- 2 H2(G) + O2(G)

es meramente la electrólisis del agua. En el transcurso de la electrólisis, el ión hidrógeno se aleja del

ánodo, de donde se produce, hacia el cátodo. En forma similar, los iones hidróxido se mueven hacia el

ánodo. Estos iones se neutralizan entre si en la solución entre los dos electrodos.

Este fenómeno se denomina gaseo y el voltaje al que empieza a manifestarse se llama voltaje de

gaseo Vg. La resistencia interna de la batería sube rápidamente.

3.- En un determinado momento el voltaje alcanza un valor estable. En esta tercera etapa de carga,

los materiales activos se han agotado y toda la corriente que llega a la batería se emplea en la hidrólisis del

agua de la disolución. Este voltaje que alcaza la batería se llama voltaje final de carga Vfc

En este instante se debe finalizar la carga, de lo contrario la batería entrará en sobrecarga,

perdiéndose electrolito por el escape de gases. Además el hidrógeno es un gas explosivo en proporciones

superiores al 4% en el aire. La reacción de hidrólisis va acompañada con generación de calor. Por tanto la

sobrecarga también implica el calentamiento del electrolito. A mayor temperatura del electrolito, mayor

cantidad de corriente acepta la batería, por lo que se produce una realimentación del efecto que puede

destruir la batería en poco tiempo. Por tanto la sobrecarga conlleva las siguientes consecuencias:

Desprendimiento de gases

Elevación de la temperatura del electrolito

Corrosión de la placa positiva. Efecto más notable con la temperatura.

Disminución del rendimiento global carga/descarga

Pérdida de agua del electrolito

El fenómeno contrario consiste en cargar la batería a tensiones inferiores de las necesarias. Esto

implica que la batería se cargará por debajo de su capacidad total. De este modo parte del sulfato quedará

adherido a las placas. Si este hecho se repite con cierta frecuencia la capacidad de la batería puede mermarse.

A este fenómeno se denomina sulfatación.

La variación del voltaje de carga depende de la corriente y temperatura de carga del siguiente modo:



A mayor corriente de carga mayor tensión

A mayor tª de carga menor tensión

De este modo se tiene que los voltajes de gaseo y final de carga, dependen de los anteriores parámetros.

Estratificación del electrolito

Durante el proceso de carga la densidad del electrolito va aumentando dado que aumenta la

proporción de ácido sulfúrico de la disolución. Al ir aumentando progresivamente a medida que avanza el

proceso de carga, el electrolito es susceptible de estratificarse de modo que haya una proporción mayor de

ácido en el fondo del vaso. Un gaseo moderado impide este proceso por lo que puede ser considerado

beneficioso.

DESCARGA DE LA BATERÍA

La curva de variación de la tensión a lo largo del proceso de descarga depende de los siguientes factores:

La temperatura. A medida que decrece la tª de descarga

Se reduce la velocidad de difusión iónica

Se reduce el voltaje

Menor capacidad (como ya se vio en el apartado dedicado a la capacidad)

La corriente de descarga

Cuanto más lento es el régimen de descarga, mayor es el voltaje final

VARIACIÓN DE LA DENSIDAD

A medida que se descarga una batería la densidad decrece. Una batería totalmente descargada su

electrolito es ácido sulfúrico diluido (densidad 1,05gr/cm3) y a plena carga es una disolución concentrada de

ácido sulfúrico (1,25gr/cm3). La función r=f(estado de carga)es una línea recta de pendiente negativa. Las

densidades dadas anteriormente son para una temperatura ambiente de 20ºC para otras temperaturas habrá

que aplicar correcciones a la función para que pueda ser utilizada como indicador del estado de carga.

Variación de la tensión final con el régimen de descarga

horas

volts



Debe tenerse presente que la densidad también está afectada por la estratificación del electrolito si la

hubiera.

EFECTO LA TEMPERATURA EN LA DESCARGA

A medida que decrece la tª de descarga

Se reduce la velocidad de difusión iónica

Se reduce el voltaje

Menor capacidad

En la figura puede apreciarse el efecto de la

temperatura en la tensión durante la descarga.

RÉGIMEN DE DESCARGA

Cuanto más lento es el régimen de descarga, mayor es el voltaje final

V

t

1.85

1.9

1.95

2

2.05

2.1

2.15

1,1

1,14

1,18

1,22

Carga

Densidad (20ºC)

tensión 100%

50%

10ºC

40ºC



3.9 CARGADORES

CONSTITUCIÓN

Circuito de potencia

Transformador

Rectificador

Filtrado

Circuito de regulación y control

Controla los parámetros de carga: tensión y corriente

Adapta la intensidad al valor conveniente al estado de carga de la batería

Control de tensión e intensidad por activación de sistemas de fin de carga o cambio de

pendiente

Cargador básico en bucle abierto

corriente decreciente, dado que la intensidad va disminuyendo a medida que la tensión de

la batería va incrementándose

Cargador básico a corriente constante

El regulador de tensión mantiene constante el valor de la tensión en la resistencia, de modo

que la corriente que entra en la batería se mantiene constante

Reg tensión



Carga a corriente constante

La intensidad está regulada

La tensión en bornes es libre

Se debe monitorizar el voltaje o limitar el tiempo de carga para evitar sobrecarga

Se debe reducir el gaseo ampliando el tiempo de carga (corriente de carga reducida)

Carga a tensión constante

La tensión en bornes está regulada

La intensidad es elevada al principio de la carga

Potencia instalada alta

Carga combinada

Suele adoptarse como el método más eficaz.

Combina las ventajas de la carga a corriente

constante y a tensión constante, permitiendo una

carga suficientemente rápida y evitando el

sobrecalentamiento y gaseo excesivo propios de la

carga a I=cte.

La carga a intensidad constante suele dejar la

batería cargada al 80%, y no suele llegar a la mitad

del tiempo total de carga de la batería. El 20%

restante se carga a voltaje constante para evitar la

sobrecarga dado que la corriente de entrada a la

batería va decreciendo. Para cargar este 20% se suele

tardar más de la mitad del tiempo total de carga.

Cuando la corriente de carga se estabiliza, se deja la

batería a una tensión de flotación. La flotación

compensa las pérdidas por autodescarga

Carga a corriente pulsada

Es un sistema moderno donde el cargador emite pulsos de corriente continua. Estos pulso tienen una

amplitud elevada y su duración es variable, de modo que al llegar a la tensión de gaseo el pulso finaliza. De

horas

Amps Volts

Carga a corriente constante

Amps Volts

horas

Carga a tensión constante



este modo cuando la batería está totalmente descargada la duración del pulso es de horas siendo una carga

semejante a la carga a corriente constante. A medida que avanza el proceso de carga, los pulsos son de

duración cada vez menor, dado que se alcanza la Vgas más rápidamente. Es un procedimiento de carga más

rápido que el de la carga combinada.

3.10 RESISTENCIA INTERNA

Es la oposición al paso de la corriente en la batería

Rtotal = Rext + Rint

Donde:

Rext es la suma de las resistencias óhmicas del circuito externo: contacto, cableado... Depende

únicamente del diseño

Rint = Rohmica + Rpolarizacion

Rohmica es la suma de las resistencias de los materiales conductores: placas, rejillas,...

Rpolarizacion resistencias debidas a procesos internos de transferencias de cargas, difusión y

concentración.

FACTORES QUE AFECTAN A LA RESISTENCIA INTERNA

Disminuye con el tamaño de la placa y con la tª (mayor actividad electrolítica)

Depende del estado de carga

o Descarga: la Rint aumenta a medida que avanza el proceso de descarga debido a:

Mayor presencia de sulfato

Escasez de materiales activos

o Carga: la resistencia sube con el estado de carga

Debido a la presencia de reacciones colaterales como el gaseo

La conclusión es que no se puede establecer una relación unívoca entre el estado de carga y la

resistencia interna de una batería.

3.11 ENVEJECIMIENTO DE UNA BATERÍA PB-AC

EFECTO DE LA PROFUNDIDAD DE DESCARGA (DOD)

DOD es el porcentaje de la capacidad que ha sido extraído. Obsérvese que no se mide en tiempo sino

en ciclos

Nº ciclos

DOD

5000

10 50

1000



EFECTO DE LA TEMPERATURA

Cuanto mayor sea la temperatura de operación menor será la vida de la batería debido a que las

reacciones químicas de degradación son más rápidas. En general un incremento de 10ºC supone una

reducción de la vida al 50%

MECANISMOS DE DEGRADACIÓN Corrosión externa de los terminales.

Estratificación

Debido al progresivo cambio de densidad durante la carga se puede producir este

fenómeno ya comentado en apartados anteriores. Como consecuencia hay una mayor

concentración de ácido en el fondo, de modo que la reacción se produce de forma

desigual en la placa, pudiendo ocurrir que en la misma placa haya zonas descargadas y

otras en sobrecarga.

Corrosión interna de las rejillas

Se produce durante la sobrecarga. Los subproductos de la corrosión se depositan en el

fondo.

Excesivo gaseo

Provoca la pérdida de electrolito y corrosión en la placa positiva.

Sulfatación

Aparece cuando la batería está operando en estados parciales de carga durante un

tiempo prolongado. El sulfato forma grandes cristales insolubles (depósitos azul-

verdoso) muy característicos.

Depósitos de materia activa

La pérdida de adherencia de la materia activa se produce por operar a bajos SOC. Como

consecuencia de violentos gaseos se desprende la materia activa, que forma depósitos en

el fondo de color metálico brillante perdiéndose la materia activa de forma irreversible.

En casos extremos los depósitos pueden cortocircuitar las placas provocando la muerte

de la batería.

acumuladores de energía

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