Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:
Autores
- Laura Sanz Rubio, Gerente, Albufera E-Power
- Ana López Cudero, Investigadora, Albufera Energy Storage
- Paloma Rodríguez Soler, Directora Técnica, Albufera Energy Storage
- Joaquín Chacón Guadalix, Director General, Albufera Energy Storage
Resumen
El desarrollo de nuevas tecnologías alimentadas por energías renovables es fundamental para lograr la total implantación en los próximos años de conceptos como “Smart Grids” y “Smart Cities”. Sin embargo, esto no será del todo posible si no se cuenta con sistemas de almacenamiento modulares, limpios y baratos que las acompañen. Es bien sabido que las baterías de Li-ion ofrecen unas prestaciones ideales para multitud de aplicaciones, pero su elevado precio limita su implantación a gran escala. Es por ello que Albufera propone la re-utilización de las baterías de Li-ion provenientes del sector del vehículo eléctrico, dotándolas de una segunda vida a fin de respuesta de forma sostenible y asequible a las necesidades de almacenamiento en aplicaciones fundamentales para el desarrollo de ciudades inteligentes como es el alumbrado público mediante farolas solares.
Introducción
En la actualidad, el desarrollo de las tecnologías de la energía, el transporte y las telecomunicaciones, unido a las preocupaciones medioambientales derivadas de los actuales modelos de generación y distribución de energía, pone de manifiesto la necesidad de desarrollar tecnologías de baterías más eficientes, asequibles y sostenibles para una amplia gama de aplicaciones en la industria. Actualmente, las baterías de iones de litio (Li-ion) son la opción más popular debido a su buen rendimiento y su alta densidad de energía, prestaciones ideales para multitud de aplicaciones, entre las cuales cabe destacar la mayoría de las aplicaciones portátiles y los vehículos eléctricos (VE).
No obstante, nos encontramos con dos fenómenos asociados al uso de las baterías de Li-ion como tecnología de almacenamiento energético:
- Por un lado, el alto coste de esta tecnología sigue siendo un inconveniente para permitir una profunda penetración en el mercado y limita su implantación a gran escala en otras aplicaciones asociadas al almacenamiento energético estacionario. La rentabilidad de la tecnología es baja en comparación con otras tecnologías de almacenamiento de energía (plomo-ácido, NiMH, metal-aire). Las baterías de Li-ion requieren altos costes adicionales, de hasta un 60% del coste total del sistema, debido a la necesidad de incluir sistemas de monitorización y control basados en protecciones eléctricas/electrónicas, lo que aumenta sustancialmente la inversión inicial. Esta debilidad económica está limitando su penetración en el mercado, así como el desarrollo de un sector tan prometedor como el del VE (“car sharing”, transporte, uso privado) que está siendo mucho más lento que lo inicialmente previsto.
- Por otro lado, si se cumplen las expectativas, una masiva implantación en el campo de la movilidad eléctrica va a generar, en los próximos años, una gran cantidad de baterías usadas que no son aptas para VE pero que aún constan de características que las hacen aprovechables en otras aplicaciones de menor demanda.
Segunda vida de baterías
Problemática
De acuerdo con el estudio realizado por Bloomberg New Energy Finance, se espera que 41,58 millones de euros en VEs se pongan en el mercado en 2040, de los cuales se calcula que un 60% de ellos incorporarán baterías de Li-ion. Esto representará aproximadamente una cantidad de 12,22 millones de toneladas de baterías que necesitan ser recicladas y por tanto, es necesario resolver los cuellos de botella tecnológicos que aparecen al final de la vida (EoL) de las baterías para crear un ecosistema de negocio favorable para los fabricantes del VE.
Después de su uso en el sector del VE, las baterías de Li-ion todavía contienen altas capacidades energéticas disponibles (70-80%). Sin embargo, deben ser sustituidas en los VE debido a la necesidad de cumplir con las normas y regulaciones RIP/WIP requeridas por el sector automovilístico (garantía de autonomía). A pesar de que las baterías todavía cuentan con amplias capacidades de almacenamiento para un segundo uso, se desechan y no se están reintroduciendo en otros mercados potenciales menos exigentes (motos, bicis, etc).
Actualmente, se calcula únicamente en torno a un 20% de las baterías se reciclan. Es decir, que para la fabricación y montaje de nuevas baterías es necesario el uso de materias primas que deben ser extraídas, tratadas y fabricadas, procesos que en muchos casos general una alta contaminación, así como un importante impacto en términos de huella de carbono, por no mencionar que las reservas de Li son limitadas, por lo que el uso masivo puede derivar en el agotamiento de las materias primas en el futuro.
Por todo ello, es necesario generar nuevos modelos de negocio rentables y sostenibles enfocados, no sólo a mejorar el comportamiento de las baterías durante su primera vida, sino también a reintroducir estas tecnologías en otros mercados como VEs pequeños (carritos de golf, Vehículos, VHE (Taxi), bicicletas eléctricas de motocicletas o eléctricas) o aplicaciones estacionarias de almacenamiento asociados a las Smart Grids (autoconsumo en el hogar, almacenamiento de energía renovable, etc.).
Vida útil y segunda vida de las baterías
Como ya se ha comentado, una batería de VE alcanza el final de su vida útil (EoL), y se recomienda la sustitución, cuando su capacidad restante es inferior al 80% de su capacidad inicial. Una vez alcanzado este punto, todavía queda suficiente energía para soportar aplicaciones menos exigentes, como el almacenamiento estacionario para la integración de energías renovables. Además, la reutilización de la batería permite posponer los procesos de reciclaje y evitar la extracción de nuevos materiales, los cuales entrañan altos costes y la generación de CO2.
Reutilizar las baterías de Li-ion para una segunda aplicación aumentaría su vida útil total, lo que retrasaría los procesos de reciclado y fabricación, minimizando efectivamente el impacto ambiental y reduciría los costes de fabricación de las baterías, asegurando una máxima explotación de las materias primas y garantizando su máximo aprovechamiento a la vez que se reduciría la polución asociada a su manufactura.
Uno de los retos a los que nos enfrentamos es, por tanto, el de desarrollar un modelo de economía circular en torno a tecnologías avanzadas de baterías como Li-ion, con el objetivo de ampliar su ciclo de vida y asegurar la máxima explotación de los recursos en todas las etapas, reduciendo costes e impacto ambiental, con el fin de incrementar la rentabilidad y sostenibilidad de estas tecnologías, lo que favorecerá su implantación en el ámbito de las Smart Grids. Este modelo de economía circular lleva además asociadas nuevas oportunidades de negocio del que se pueden beneficiar tanto los grandes actores del sector, como las PYMES.
En este sentido Albufera, empresa pionera en el desarrollo de nuevas soluciones de almacenamiento energético, propone la re-utilización de las baterías de Li-ion provenientes del sector del vehículo eléctrico, dotándolas de una segunda vida a fin de respuesta de forma sostenible y asequible a las necesidades de almacenamiento en aplicaciones que requieren de menores potencias y capacidades pero que son, no obstante, fundamentales para el desarrollo de ciudades inteligentes. Una de las potenciales aplicaciones es el alumbrado público mediante farolas solares.
Aplicaciones: farolas solares
Tradicionalmente, las farolas destinadas a la iluminación pública han utilizado lámparas de vapor de sodio o de mercurio, pero su baja eficiencia y las nuevas normativas (RD 1890/2008) hacen que progresivamente este tipo de tecnología vaya desapareciendo de nuestras calles.
Es por ello que, desde hace un par de años, numerosos municipios españoles apuestan cada vez más por renovar su iluminación urbana instalando luminarias con tecnología LED con el fin de conseguir un mayor ahorro energético, además de ofrecer una luz de mayor calidad, reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera, así como los costes de alumbrado de la localidad.
La tecnología LED requiere de una menor energía para proporcionar la misma iluminación (lúmenes por Watio) y disipa menos energía en forma de calor, lo que, junto con una vida útil muy superior a la de las tecnologías tradicionales, justifica el incremento de inversión inicial. En términos globales, la iluminación LED supuso únicamente el 9% del mercado en 2011, pero se prevé un incremento hasta el 69% en el año 2020.
En la actualidad, existen distintas soluciones orientadas a la disminución del gasto asociado a la iluminación viaria, y numerosas empresas comercializan ya farolas con tecnología LED. Un paso más allá de la mejora de la eficiencia mediante el uso de la tecnología LED es la alimentación de la luminaria mediante energía solar o incluso eólica (UPC, 2015) para su alimentación aislada o en microrred. Las más extendidas son las que incluyen el acoplamiento de las farolas LED con una placa fotovoltaica (FV) lo que se conoce como “farola solar” y ya existen numerosos modelos en el mercado.
Cualquiera de estas soluciones alternativas, requiere de un sistema de almacenamiento intermedio, esto es: una batería, en el diseño. Ya sea local (en cada luminaria) o a nivel de red de luminarias controlado e integrado en la Smart Grid.
Durante el día, la energía recolectada por la placa fotovoltaica es almacenada en la batería (ciclo de carga de la batería). Durante la noche, la batería alimenta la luminaria (ciclo de descarga). Actualmente, la tecnología utilizada en la mayoría de los casos es Pb-acido, por ser la más barata, aunque los modelos más recientes utilizan tecnología de Li-ion (LiPO4). El uso de baterías de iones de litio de segunda vida en aplicaciones como la iluminación de las Smart Cities proporcionará un rendimiento superior en términos de capacidad a aproximadamente un tercio menos del coste que las baterías de plomo-ácido, su principal competidor en el mercado, a la vez que garantiza la plena explotación de los materiales y rrecursos y minimiza la huella ambiental, cerrando el círculo.
Solución propuesta
La solución propuesta en el campo de la iluminación consiste en la alimentación de las farolas mediante las propias baterías, conectadas en una micro red y por tanto, en consonancia con los requerimientos de las Smart Grids. Estas baterías, serían recargadas por el día mediante una placa fotovoltaica, y descargadas por la noche para proporcionar la iluminación necesaria (ver figura 2).
Las luminarias de las farolas requieren de unos valores bajos de potencia de en torno 35-40 W, que son fácilmente cubiertos por las baterías de segunda vida.
Integración en las Smart Cities
La iluminación viaria es un servicio básico de cualquier ciudad actual, y su integración en el ámbito de las Smart Cities requiere de mecanismos de control remoto. Cada punto de luz (farola) puede contar con una o más luminarias alimentadas desde la misma batería. Los puntos de luz se conectan a las salidas de un centro de mando, integrado y conectado a la Smart Grid. Los encendidos se efectúan localmente mediante célula fotoeléctrica, programación por reloj astronómico o remotamente por sistemas de telecontrol basados en líneas RTB, radiofrecuencia o GSM.
En la actualidad ya hay ciudades que están instalando luminarias que incluyen servicios wifi, videocámara y audio, e incluye un sistema de telegestión. Un ejemplo es la ciudad madrileña de San Sebastián de los Reyes. El desarrollo del Internet de las cosas (IoT) aplicado a este campo permite el seguimiento en tiempo real de cada farola y luminaria telegestionada punto a punto y con un perfil horario programado CUS DIM para diferentes intervalos horarios y optimizar así el consumo a lo largo de la noche.
Análisis estimado de costes
Tradicionalmente, para el almacenamiento de la energía proporcionada por los paneles solares durante el día se utilizan baterías de plomo-ácido, dada la madurez de esta tecnología y su amplia disponibilidad a nivel de mercado. Sin embargo, estas baterías presentan ciertos inconvenientes en cuanto al rango de temperaturas de trabajo que, en aplicaciones de farolas solares, pueden llegar a valores altos en ciertas localizaciones.
El aumento de temperatura durante la carga de la batería a lo largo del día se traduce en un aumento de la velocidad de autodescarga de la misma, lo cual reduce en gran medida su ciclo de vida en el caso de las baterías de plomo-ácido. Por el contrario, las baterías de segunda de vida de Li-ión pueden trabajar en unos rangos de temperatura más amplios y presentan velocidades de autodescarga prácticamente despreciables, tal como se puede observar en la tabla I.
Como se ha venido diciendo, la reutilización de las baterías de Li-ion procedentes del sector del vehículo eléctrico para una aplicación como la propuesta en farolas solares, tiene múltiples ventajas, una de ellas es la extensión de su vida útil, con la consiguiente disminución del impacto medioambiental asociado. Otra, y no menos importante, es el coste. Las baterías de segunda vida de Li-ión presentan precios más competitivos y su mayor duración reduce en gran medida los valores de LCOS, convirtiéndolas en una solución más que viable económicamente para su aplicación en farolas solares.
En la tabla I se presentan una comparativa de costes entre baterías de Pb-ácido (las más utilizadas en la actualidad) Li-ion procedente de materias primas, y Li-ion de segunda vida, para una farola estándar con tensión de salida de 12 V y una capacidad estimada de 150 Ah. Teniendo en que cada batería de VE cuenta con unos 30kWh, y que son retiradas con un 80% de capacidad, obtenemos que con una batería de segunda vida se podrían llegar a alimentar más de 13 farolas.
Como también se puede observar en la tabla I, el ahorro en el precio de la batería si utilizamos una de segunda vida sería de un 43%, respecto de la de plomo y de un 67% comparado con una batería nueva.
Caso práctico
En una ciudad como Madrid hay unas 250.000 farolas, con un gasto estimado de 90000 € al día lo que supone un gasto anual por farola de unos 130€. Hoy en día el coste de una farola solar, incluyendo todos sus componentes se encuentra en la horquilla de los 1500-3000€. Haciendo cálculos simples, una farola solar estaría amortizada en la horquilla de 12-22 años, eso sin tener en cuenta el impacto del incremento de los precios de la energía eléctrica, que de seguir la tendencia de los últimos años (en el último año el precio de la electricidad se ha encarecido en un 29%), hará que el tiempo de amortización sea claramente inferior. Utilizando baterías de segunda vida, los tiempos de amortización para los ayuntamientos podrían verse reducidos a escasos 5 años.
Conclusiones
De cara a una implantación real de los sistemas de generación distribuida y eficiencia energética en el campo de las Smart Cities hay que apostar por soluciones de almacenamiento novedosas, incluyendo la reutilización y extensión de la vida útil de tecnologías existentes a fin de, no sólo disminuir costes, sino impactos medioambientales y problemas asociados a la producción de baterías de primera vida que van a ser necesarias en grandes cantidades en un futuro próximo. Como se ha analizado en el presente artículo, la reutilización de baterías de Li-ion procedentes del vehículo eléctrico en aplicaciones menos demandantes como son las farolas solares, es una buena alternativa en esta dirección.
Agradecimientos
Agradecemos los datos y colaboración proporcionada en el ámbito del presente proyecto a EKIONA Iluminación Solar S.L.
Referencias
Ministerio de Industria, Turismo y Comercio (19-11-2008). Real Decreto 1890/2008, de 14 de noviembre, por el que se aprueba el Reglamento de eficiencia energética en instalaciones de alumbrado exterior y sus Instrucciones técnicas complementarias EA-01 a EA-07. BOE nº 279/2008. Consultado el 3 de julio de 2009.
http://www.upc.edu/saladepremsa/al-dia/mes-noticies/la-upc-y-eolgreen-disenan-el-primer-sistema-de-alumbrado-publico-con-energia-solar-y-eolica (19septiembre 2017)
https://www.esmartcity.es/2017/07/28/evolucion-alumbrado-publico-conectado-sistema-gestion-smart-cities (28/ julio 2017).