baterías para aplicaciones estacionarias

en ESPAÑOL

PresentaciónBarcelona-España24 noviembre 2008

Roberto Villafáfila

CITCEA-UPC

[email protected]

Baterías para aplicaciones estacionarias

www.leonardo-energy.org *** www.leonardo-energy.org/Espanolen ESPAÑOL

Introducción

Problema:– Disponer de energía eléctrica para aplicaciones

móviles sin conexión a la red eléctrica. – Sistemas de seguridad y continuidad de

suministro en aplicaciones conectadas a la red.Solución:– Baterías

• Baterías primarias (o pilas)– Descarga irreversible.

• Baterías secundarias (o baterías)– Proceso cíclico reversible de carga/descarga.


Sistemas de baterías para aplicaciones conectadas a la red

Alimentación cargas en corriente continua:

Alimentación cargas en corriente alterna:

RED CARGA CC

RECTIFICADORCA/CC

BATERÍAS


Aplicaciones estacionarias

Aplicaciones no destinadas a cambiarse de sitio habitualmente:– Instalaciones

• Telecomunicaciones, centros de proceso de datos, transporte y distribución de energía eléctrica.

– Equipos fijos• Sistemas de alimentación ininterrumpida.

Otras características:– Disponibilidad las 24 h/ 365 días del año.– Condiciones de trabajo conocidas y

normalmente cíclicas.– Dimensión y potencia frecuentemente

considerables.


Baterías para aplicaciones estacionarias

Presente:– Plomo-ácido– Níquel-Cadmio (Ni-Cd)Futuro corto plazo:– Níquel- Hidruro metálico (Ni-MH)– Ión-Litio Futuro largo plazo: – Pilas de combustible– Baterías de flujo


Baterías de Plomo-ácido

Tipos en función del electrolito:– Abiertas, con electrolito líquido.– Reguladas por válvula (VRLA):

• AGM, con electrolito absorbido en fibra de vidrio.• Gel, con electrolito inmovilizado o gelificado.

Fuente: Hoppecke



Ventajas– Las más económicas para aplicaciones de alta potencia.– Reciclables.– Proporcionan altos niveles de seguridad y fiabilidad. – Las VRLA no precisan de mantenimiento significativo

durante su vida útil gracias a la tecnología de recombinación de gases. Sin embargo, a las abiertas hay que añadirles electrolito periódicamente.

– Las VRLA pueden situarse prácticamente en cualquier posición mientras sus bornes sean accesibles. En cambio, las abiertas tienen que estar en posición vertical y ser accesible para verificar el nivel del electrolito.

– Las baterías con electrolito gelificado permiten una utilización más segura y cómoda, pues el electrolito no se evapora.



Inconvenientes– Suelen tener grandes dimensiones y un peso elevado.– Su condición depende en gran medida del entorno y de

su utilización.– Las abiertas requieren un mantenimiento regular y un

espacio especialmente acondicionado por si hubiera pérdida de electrolito.

– Las de tipo VRLA están activadas desde que finaliza su proceso de producción. En cambio, las de tipo abierta son activadas después de su instalación.


Baterías de Niquel-Cadmio (Ni-Cd)

Ventajas– Disponible en un amplio rango de tamaños.– Económica.– Construcción robusta y larga vida útil.– Tiempo máximo de almacenamiento elevado.– Fácil de almacenar y de transportar.– Alto número de ciclos de carga/descarga (puede superar

los 1.000 ciclos).– Carga rápida y simple, incluso después de un largo

período de almacenamiento.– Posible la recarga a bajas temperaturas.

Fuente: Enersys


Baterías de Niquel-Cadmio (Ni-Cd)

Inconvenientes– Su densidad energética es relativamente baja, con lo

que deben ser recargadas cada poco tiempo.– Necesita una descarga completa periódica, ya que sino

se forman cristales en los platos de la celda (también conocido como efecto memoria) y va perdiendo gradualmente capacidad.

– Contiene metales tóxicos, por lo que requiere una gestión especial a fin cumplir la normativa medioambiental.

– Necesita ser recargada después de un período de almacenamiento, ya que la tasa de autodescarga es relativamente alta.


Baterías de Ión-Litio

Ventajas– Alta densidad energética.– Tasa de autodescarga relativamente baja.– No precisa de descargas periódicas, ya que no tiene

efecto memoria.– Se descarga de forma lineal, por lo que es fácil estimar

su autonomía.– Algunas pueden entregar corrientes muy elevadas.– Normalmente disponibles en rack.

Fuente: Saft


Baterías de Ión-Litio

Inconvenientes– Precisa de un circuito de protección para mantener la

tensión y el corriente dentro del rango de seguridad.– Pérdida de vida útil con el tiempo, incluso si se

encuentra almacenada, y difícil de predecir. Para reducir este efecto conviene que sea almacenada parcialmente cargada (aproximadamente al 40% de carga) en un lugar frío.

– El transporte de grandes cantidades de baterías ión-litio debe ser controlado y regulado.

– Tienen un elevado coste de producción, aproximadamente un 40% superior a las Ni-Cd.


Baterías de Níquel- Hidruro metálico (Ni-MH)

Ventajas– Mayor capacidad que las de Ni-Cd (hasta un 40%).– Menor afectación del efecto memoria.– Almacenamiento y transporte sencillo, no sujeto a

restricciones legales.– Impacto ambiental bajo y es reciclable.

Fuente: Saft


Baterías de Níquel- Hidruro metálico (Ni-MH)

Inconvenientes– Vida útil menor que las de Ni-Cd.– Almacenamiento máximo de tres años.– Envejecimiento prematuro por bajas temperaturas,

cargas parciales y almacenamiento a altas temperaturas.

– Corriente de descarga limitada.– Proceso de carga más largo que las de Ni-Cd y complejo

porque se genera mucho calor.– Autodescarga elevada.– Mantenimiento elevado.


Comparativa

Ni-Cd Ni-MH Plomo-

ácido

Ión-Litio

Ión-Li Cobalto Ión-Li Manganeso

Ión-Li Fosfato

Tensión nominal por celda 1,25V 1,25V 2V 3,6V 3,6V 3,3V

Resistencia interna [mΩ]

100-200 por módulo 6V

200-300 por módulo 6V

Inferior a 100 por módulo 12V

100-130 por celda 150-300 por módulo 25-75 por celda 25-50 por celda

Densidad energética

45-80 Wh/kg 60-120 Wh/kg 30-50 Wh/kg 150-190 Wh/kg 100-135 Wh/kg 90-120 Wh/kg

Corriente recomendada 1C 0,5C o

inferior 0,2C 1C o menos 10C o menos 10C o menos

Corriente máxima permitida

20C 5C 5C Inferior a 3C Inferior a 30C Inferior a 30C

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

>1000 300-500 200-300 300-500 300-500>1000 bajo condiciones controladas

Tiempo de carga 1h 2-4h 8-16h 1,5-3h 1h o menos


Comparativa

Ni-Cd Ni-MH Plomo-

ácido

Ión-Litio

Ión-Li Cobalto Ión-Li Manganeso

Ión-Li Fosfato

Autodescarga

mensual 20% 30% 5% Inferior al 10%

Tolerancia a la sobrecarga Moderada Baja Alta Baja

Temperatura de operación de -40º a 60ºC De -20º a 60ºC de -20º a 60ºC de -20º a 60ºC

Estabilidad térmica Sí Sí Sí Hasta 150ºC Hasta 250ºC Hasta 250ºC

Periodicidad del mantenimiento

Cada 2 meses máximo

Cada 3 meses máximo

Cada 3-6 meses para

abiertas y casi nulo para

VRLA

No necesario

Impacto medioambiental Muy alto Bajo toxicidad

ReciclableAlto

Reciclable Poco tóxicas

Seguridad Recomendado fusible

Recomendado fusible

Recomendado fusible Circuito de seguridad obligatorio

Uso comercial desde 1950 1990 1970 1991 1996 2006

baterías para aplicaciones estacionarias

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