Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Paloma Rodríguez Soler, Directora Técnica, Albufera Energy Storage S.L.
- Joaquín Chacón Guadalix, Director General, Albufera Energy Storage S.L.
- Patricio Peral Galindo, Director de Innovación e I+D, Albufera Energy Storage S.L.
Resumen
El presente artículo trata de ofrecer una revisión general de los diversos sistemas de almacenamiento energético en baterías electroquímicas que son susceptibles de ser utilizados en las diferentes aplicaciones asociadas al concepto de Smart Grid. Se hace un repaso práctico de las principales características de cada tecnología, sus ventajas e inconvenientes para este sector, y la tendencia de futuro que prevé Albufera Energy Storage para cada una de ellas. Desde los sistemas tradicionales como el Plomo-ácido o los basados en cátodos de Níquel que representan casi el 100% de las baterías instaladas en aplicaciones estacionarias tradicionales en redes de distribución y transmisión, se comentarán también los nuevos sistemas que se encuentran en fase de prototipos o de investigación más preliminar y algunas estrategias de hibridación entre tecnologías.
Introducción
Una de las tecnologías más claramente transversales a todos los conceptos incluidos en el desarrollo de las redes inteligentes de la energía es el almacenamiento energético. Tanto para la gestión de las redes descentralizadas de generación y consumo de electricidad, la integración de las fuentes de generación renovables, el manejo inteligente de la demanda o las estrategias enmarcadas en la implantación real del vehículo eléctrico, el almacenamiento energético juega un papel fundamental para su aplicación real y eficiente.
Dentro de las diversas tecnologías válidas para el almacenamiento de la electricidad, las baterías electroquímicas constituyen una de las soluciones que se presentan más efectivas para los próximos 30 a 40 años en el entorno europeo. Sus prestaciones eléctricas en cuanto a cantidad de energía almacenable, potencia en carga y descarga, duración en vida operativa y coste son los valores con los que se presentan a este mercado comenzando a ganar posiciones en múltiples aplicaciones aisladas y conectadas a la red principal.
Existen diferentes pares electroquímicos, con sus correspondientes características y diseños, que enriquecen las posibilidades de selección de este tipo de sistemas para aplicaciones en Smart Grids. Estos pares, además, se basan en diversas familias de metales que proporcionan prestaciones diferentes con ligeros o profundos cambios en su constitución o sus componentes.
Este artículo trata de presentar, de una manera resumida, los sistemas más reconocidos por su presencia en el mercado superior a 100 años y los nuevos sistemas que se encuentran en fase de desarrollo con una previsión de comercialización dentro de los próximos 5 años. Como complemento también se darán unas breves indicaciones para aprender a determinar qué sistema electroquímico y con qué diseño de batería se adapta mejor a una aplicación concreta y, por tanto, pueda proporcionarnos un mayor valor con su utilización.
Tecnologías actuales de baterías electroquímicas
Las baterías que se emplean en la actualidad en diversas aplicaciones relacionadas con las redes inteligentes de la energía se describen a continuación presentando una clasificación muy empleada en la industria de este tipo de productos para cada una de ellas. Algunas, como las basadas en el Plomo y aquéllas que utilizan compuestos de Níquel como electrodo positivo, llevan con nosotros más de 100 años y son sistemas fundamentales en el aseguramiento de suministros de electricidad en condiciones de emergencia cuando falla la red principal. Por ello, se denominan habitualmente sistemas de energía de reserva. Sectores como el transporte público masivo, el energético, tanto para gas y petróleo como el eléctrico, o las telecomunicaciones entre otros son grandes usuarios de baterías en la actualidad. Otras como las familias basadas en el Litio llevan con nosotros menos tiempo, unos 15 años, y aunque ya son habituales en nuestra vida diaria aún les queda cierto camino por andar en su evolución.
Baterías de Plomo-ácido
Las baterías de Plomo-acido están formadas por un electrodo positivo que en su estado cargado es dióxido de Plomo mientras que el negativo es Plomo metálico. El electrolito es ácido sulfúrico y durante la reacción de descarga, los materiales denominados activos en ambos electrodos pasan a convertirse en sulfato de Plomo. Como se puede apreciar en la siguiente figura (Fig. 1), los materiales activos electroquímicamente van empastados sobre una rejilla de plomo metálico cuya aleación se selecciona para sus diferentes aplicaciones, fundamentalmente para baterías sin mantenimiento o baterías con mantenimiento. Ambos electrodos, positivos y negativos se apilan formando el paquete de placas junto con los separadores que son láminas plásticas que aíslan eléctrica y mecánicamente los electrodos. Todo el conjunto se introduce en un recipiente plástico donde se alojan los electrodos y el electrolito.
Existen dos formas de clasificar las baterías de Plomo. Una se basa en la aplicación para la que se diseñan y construyen y así se habla de baterías de alta potencia para el arranque de coches y servicios de sistemas de alimentación ininterrumpida para centros de datos, por ejemplo, y de baterías específicas para ciclos y que se emplean para aplicaciones relacionadas con generación fotovoltaica o para vehículo eléctrico entre otras. La segunda manera de clasificación es la de baterías abiertas y cerradas. Las baterías abiertas son aquellas que permiten mantenimiento rellenando con agua el interior de las celdas y las cerradas son las que trabajan en condiciones denominadas sin mantenimiento. Además, estas últimas se pueden dividir también entre AGM y Gel, que describen dos tipos de configuración del electrolito contenido en las baterías (AGM – Absorptive Glass Mat – electrolito absorbido dentro del separador de fibra de vidrio y Gel que se refiere a que el electrolito es de tipo gelificado en lugar de líquido).
Es evidente que la gran ventaja de esta tecnología y su amplia introducción en el mercado es su coste, el más bajo de entre todos los sistemas de baterías. Además, conviene destacar que en los últimos años, tras la amenaza que supone la aparición del Litio-ión, ha experimentado un gran avance en cuanto a prestaciones y ciclos de vida fundamentalmente, para las aplicaciones más modernas relacionadas con las necesidades y requerimientos de las Smart Grids. Tampoco conviene olvidar que es una tecnología ampliamente conocida en todo el mundo, con profesionales conocedores de su instalación y operación y con fábricas productivas y de reciclado muy repartidas por diversas zonas geográficas que hacen que la competencia entre diferentes marcas garanticen un alto grado de seguridad a los clientes durante su adquisición y garantías.
Baterías de Níquel-Cadmio
Las baterías de Níquel-Cadmio son utilizadas ampliamente en nuestro país y en otros en aplicaciones similares a aquéllas que también emplean baterías de Plomo-ácido. La diferencia que hay entre ambas tecnologías es relativamente simple y se define habitualmente con el sustantivo “fiabilidad”. Mientras que las baterías de Plomo-ácido presentan el fenómeno llamado muerte súbita (la batería deja de funcionar súbitamente debido a una desconexión interna por corrosión del conexionado de Plomo) las de Níquel-Cadmio nunca pierden repentinamente las propiedades, presentando una disminución paulatina y fácilmente previsible con la experiencia para las diversas aplicaciones. Esto es lo que se define como fiabilidad de una batería.
En la figura siguiente (Fig. 2) se muestra un despiece genérico de una batería de Níquel-Cadmio. En este caso, el electrodo positivo tiene como materia activa hidróxido de Níquel y el electrodo negativo hidróxido de Cadmio, ambos en condiciones de batería descargada. Cuando se carga, ambos compuestos se transforman en oxihidróxido de Níquel y Cadmio metal respectivamente. El resto de componentes es muy similar a los utilizados en baterías de Plomo salvo en el caso del electrolito que en este caso es alcalino (hidróxido potásico) y no interviene en la reacción de oxidación-reducción.
Existen otros sistemas basados en el electrodo positivo de Níquel pero empleando otros electrodos negativos. Entre los más famosos se encuentran los de Hierro, Cinc o hidruros metálicos y, aunque se han utilizado masivamente en algunas regiones del mundo o para algunas aplicaciones especiales, nunca han desbancado la situación comercial y productiva del Níquel-Cadmio totalmente al que, por supuesto, también le afecta la aparición del sistema Litio-ión.
La utilización de metales más caros en esta batería (Níquel, acero) hace que su utilización sea minoritaria en la industria frente al Plomo. No obstante, en situaciones de temperaturas extremas o cuando realmente el fallo en el suministro eléctrico sea crítico (por ejemplo en quirófanos o metros y ferrocarriles) su aplicación supera con diferencia la de su compañero el Plomo.
Baterías de Litio-ión
Sin duda son la estrella del sector en la actualidad. Realmente se conocen desde hace pocos años y aún tienen mucho campo de desarrollo y evolución por delante por lo que, aunque hoy en día su utilización no sea masiva en ciertas aplicaciones, se espera un crecimiento importante de su mercado en los próximos años según todo tipo de analistas. Las razones son puramente técnicas porque sus características y prestaciones conocidas superan ampliamente las de los sistemas tradicionalmente empleados como son el Plomo-ácido y Níquel-Cadmio. Concretamente, las baterías de Litio-ión presentan una capacidad de almacenamiento de electricidad en función de su peso y volumen unas cinco veces superior a las anteriores y un número de ciclos posibles de carga y descarga que suponen más del doble de sus grandes competidoras.
Ahora bien, existen varias tecnologías dentro de la familia denominada genéricamente de Litio-ión que además presentan diferentes comportamientos eléctricos en las diversas aplicaciones por lo que resulta muy conveniente conocer sus diferentes prestaciones. Estas diferentes tecnologías provienen de la utilización de diferentes materiales activos en el electrodo positivo y en el negativo dentro de la estructura de electrodos que se muestra en la figura siguiente (Fig. 3). Dentro de los electrodos positivos se habla de materiales como el fosfato de Hierro y Litio (LiFEPO4), y los que provienen de la evolución del óxido de Cobalto (LiCoO2) que tratan de sustituir parte de ese Cobalto por otros metales tipo Níquel, Manganeso o Aluminio para conferir propiedades particulares a la batería. Y, por otro lado, entre los materiales utilizados para el electrodo negativo, aunque el grafito es claramente dominante, comienzan a aparecer otros que están ganando cierto protagonismo (por ejemplo titanatos).
Otro factor diferenciador de esta tecnología es su mecanismo de reacción. Mientras que en la mayoría de baterías electroquímicas se producen cambios de estructura y compuestos durante los procesos de carga y descarga, en las baterías de Litio-ión el mecanismo es básicamente la inserción de iones de Litio en las estructuras cristalográficas de la materia activa positiva y negativa a lo largo de dichos procesos. Esto hace que los análisis e investigaciones relacionadas con este sistema sean ligeramente diferentes a los tradicionales del sector y se requieran nuevas capacidades científico-tecnológicas.
Las baterías de Litio-ión se suelen clasificar entre baterías diseñadas para aplicaciones de potencia y baterías diseñadas para gran almacenamiento energético. Las primeras son las que se emplean en desarrollos relacionados con vehículos eléctricos o con usos de regulación de voltaje y frecuencia en los procesos de integración de energías renovables en la red eléctrica tradicional y las segundas las asimiladas a ciclados diarios de varias horas por ciclo.
El principal hándicap de esta familia de baterías proviene del hecho de la obligatoriedad del uso de electrónica de control de elevado coste que provoca que el precio de este sistema sea inaccesible para muchos sectores. La electrónica es necesaria por el hecho de no poder utilizar electrolitos acuosos para estas baterías dada la gran reactividad del Litio metálico con el agua que hace que tengamos que detener las sobrecargas o sobredescargas mediante dispositivos externos a la electroquímica. No como ocurre en las baterías de electrolito acuoso (Plomo-ácido o Níquel-Cadmio) donde la electrolisis del agua actúa como barrera natural a esos procesos.
Tecnologías de baterías en desarrollo
De una manera u otra, las tecnologías de baterías electroquímicas para almacenamiento energético conocidas no cumplen satisfactoriamente los requisitos de las nuevas redes inteligentes de la energía. Esto ha provocado que el mundo de la ciencia se haya comenzado a mover en la búsqueda de nuevas soluciones de las que se presentan a continuación los dos principales ejemplos. Así se refleja además en los documentos de la Comisión Europea referidos al programa de I+D para los próximos años, denominado programa Horizonte 2020, donde ya se comienza a hablar en la era post-Litio.
Baterías de flujo redox
Uno de los sistemas de baterías que se postula como básico para el gran almacenamiento energético (varios MWh) es el denominado de flujo redox. En estos sistemas las materias activas son líquidos que se almacenan en tanques independientes del paquete de electrodos donde reaccionan y por donde se hacen circular cuando se precisa que ocurra el proceso de carga o descarga. Esto hace que sea la única batería electroquímica que pueda presentar diferentes capacidades de almacenamiento de electricidad y potencia sin que ambas propiedades se contrapongan como en el resto. En la siguiente figura (Fig. 4) se muestra uno de los sistemas basado en el par Cinc-Bromo aunque a fecha de hoy el más conocido sea el basado en el metal Vanadio.
Existen varias empresas desarrollando este tipo de sistemas con químicas diversas y ya hay bastantes demostradores operando en países europeos, Estados Unidos y Japón, entre otros. Algunos lo consideran más una planta química que una batería y, en la actualidad, cuando se habla de almacenar más de 1 MWh, es uno de los firmes candidatos a llevarse el proyecto. Su gran ventaja es su capacidad teórica de soportar muchos miles de ciclos de carga y descarga lo que le convierten en uno de los sistemas más atractivos cuando hablamos de períodos de amortización largos como es el caso del sector de las energías renovables.
Baterías Metal-aire
El otro gran referente del almacenamiento energético para los próximos años es el formado por la batería Metal-aire y, más concretamente, los sistemas Litio-aire, Cinc-aire o Aluminio-aire. Algunos autores incluyen esta tecnología dentro de las baterías de flujo redox considerando en este caso el electrodo positivo gaseoso (el elemento que reacciona es el oxígeno del aire) como el que fluye dentro de la celda. En la siguiente figura (Fig. 5) se muestra un esquema de esta tecnología donde su principal atractivo reside en la capacidad específica de almacenamiento teórica que multiplica por un mínimo de tres la más alta conseguido con Litio-ión y a un coste apreciablemente inferior.
Existen varios grupos de desarrollo de estos sistemas, que ya existían desde hace muchos años en su versión primaria (no recargable), y que concentran su trabajo en obtener una recargabilidad rentable de los mismos.
Conclusiones
Ante el reto del almacenamiento de la electricidad para la eficiencia de los nuevos sistemas y conceptos derivados del desarrollo de las redes inteligentes de la energía, existen diversos tipos de baterías basadas en procesos electroquímicos que ofrecen soluciones con diversas prestaciones eléctricas y coste, que pueden adaptarse a múltiples aplicaciones de manera rentable económicamente como así se está comprobando en los últimos años.
Frente a los sistemas tradicionales como el Plomo-ácido o el Níquel-Cadmio, de reconocida y probada eficacia, el Litio-ión aún muestra posibilidades de evolución que hacen que lo conviertan en la gran promesa del sector Smart Grids a medio plazo. No obstante, ya ha comenzado el desarrollo de nuevos sistemas que superan las barreras técnicas y económicas del Litio-ión y que se prevén presentes en el mercado a partir de los próximos años.
Qué duda cabe además que diferentes aplicaciones requerirán diferentes tipos de baterías y la previsión de los especialistas es que no predomine una tecnología sobre otra si no que prevalezcan todas con un mayor o menor grado de penetración en el mercado en función de parámetros de coste y prestaciones, geográficos e incluso sociales o políticos.
Cierto es también que cada aplicación requiere del análisis cuidadoso de sus características intrínsecas y genéricas iniciales y que antes de decidir utilizar un sistema de almacenamiento u otro es conveniente realizar un estudio preliminar para averiguar la mejor opción en cada caso en cuanto a la rentabilidad de su inversión.
Agradecimientos
Queremos agradecer al Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial, CDTI, la financiación del proyecto Albufera para el desarrollo de una batería recargable de Aluminio-aire mediante un préstamo del programa NEOTEC.
También nos gustaría agradecer la colaboración en el proyecto del departamento de química-física de la Universidad Autónoma de Madrid, del grupo de electroquímica de IMDEA Energía y del departamento de química-física de la Universidad de Alicante.