Baterías para Sistemas Solares y Eólicos

Baterías para Almacenar Energía

La disponibilidad de energía solar y del viento para producir la electricidad raras veces coincide con el tiempo cuando la necesitamos. En generadores hidroeléctricos se puede aumentar el flujo de agua con valvulas, pero no podemos regular el sol ni el viento. Balancear la energía entre la producción y el uso es imprescindible.

Almacenar la energía se pude realizar en varias formas:

  • Thérmica, por ejemplo calentar y almacenar el agua en tanques aisladas,
  • Mecánica, por ejemplo aprovechando la energía potencial del agua en centrales hidroeléctricas reversibles, o la energía cinética de volantes de inercia (usados en locomotoras y los sistemas KERS de la formula 1),
  • Eléctrica en condensadores eléctricos (supercondensadores y ultracapacitores por ejemplo en frenos regenerativos) y
  • Química en los diferentes tipos de baterías.

Todas estas formas tienen ventajas y desventajas, y en sistemas de energías solares y del viento, las más aptas son baterías a base de plomo (acumuladores). Otros tipos de baterías, sobre todo los de Ion de Litio (Li-Ion) están en desarrollo y cada vez más sustituyen las de plomo.

Baterías pueden ser consideradas el talón de Aquiles de los sistemas tipo 'isla', estos sistemas que no son conectadas a la red. Baterías representan gran parte de la inversión pero tienen frecuentemente la vida más corta de toda la instalación. Además, baterías de plomo tienen riesgos importantes por ejemplo para la salud y el medio ambiente; reducir la frecuencia de cambiarlas contribuye significativamente a disminuir estos peligros.

Todas las baterías funcionan bien al inicio, las diferencias se muestran en su expectativa de vida. Hay baterías que pueden durar más de veinte años y otras, bajo las mismas condiciones, duran menos que dos. Con baterías la expresión 'quien compra barato, compra dos veces' es cierta.

Capacidad de diferentes tipos de baterías

Tipos de Baterías

Hay diferentes tipos de baterías de plomo según el material de sus componentes. Para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos y eólicos se usa en la gran mayoría baterías a base de plomo por su buena relación del precio por energía disponible. Este tipo fue inventado ya en 1859 por el francés Gastón Planté.

La gráfica a la derecha muestra las diferentes tecnologías de baterías comparando sus capacidades en relación a su peso (eje vertical) y su volumen (eje horizontal). Las baterías de ion de litio como las usadas en celulares y computadoras tienen características superiores.

Actualmente se investiga fuertemente en mejorarlas y en el desarrollo de alternativas como por ejemplo los de 'litio-aire' o de litio de estado sólido, principalmente motivado para solucionar los requerimientos de energía en vehículos eléctricos. Aunque hay noticias muy prometedoras, hasta el momento hay pocas alternativas económicamente viables a los acumuladores de plomo.

Elon Musk de Tesla anunció en Abril 2015 el 'Powerwall' con 7kW (con baterías de litio NMO tipo 18650) a un precio de fábrica de solamente 3,000.-US$ sin inversor e instalación. Aunque barato para baterías de litio, todavía cuestan más que el doble que las industriales de plomo. Este anuncio alertó la competencia y por ejemplo Mercede Benz ahora ofrece su propio sistema de almacenamiento. Actualmente existe una alta variedad de ofertas a precios cada vez más accesibles.

De interés para energías renovables son las baterías de litio-ferrofosfato (LiFePO4) que no contienen elementos tóxicos y tienen una eficiencia de 98%. Se puede descargar por lo menos hasta un 20% de su capacidad y con un buen sistema de gestión (battery management system, BMS en inglés), pueden tener una vida hasta más de 10,000 ciclos! Son considerablemente más livianas y tienen menos volumen que baterías de plomo pero algo más que otras de litio. La gran desventaja actual es el alto precio inicial (aproximadamente tres veces de una batería de plomo). Considerando su gran cantidad de ciclos y consecuente larga vida, es un ejercicio de cálculo para comprobar su rentabilidad.

Hay inversiones enormes y incentivos gubernamentales muy importantes empujando el desarrollo. ¡Esperamos tener baterías con más vida a un mejor precio en un futuro no muy lejano!

Baterías de Plomo

Un corte de una bateria de plomo típicaLa mayoría de las baterías de plomo usados en sistemas solares y eólicos parecen a los que se usan en autos y camiones, pero son optimizadas para una aplicación diferente. Importante en los carros es la disponibilidad de mucha energía durante un tiempo muy corto, principalmente para arrancar el motor. Este alto flujo de amperes necesario se logra con capas de plomo delgadas.

En sistemas solares y eólicas las baterías tienen que dar la energía sobre un tiempo relativamente largo y frecuentemente se descargan a niveles más bajos. Estas baterías de tipo ciclo profundo tienen capas de plomo gruesas que además brindan la ventaja de significativamente prolongar su vida. Estas baterías son relativamente grandes y pesadas por el plomo. Son compuestas de celdas de 2 voltios nominales que se juntan en serie para lograr baterías de 6, 12 o más voltios para aplicaciones especiales.

Hay que diferenciar entre baterías para el uso cíclico (cargar y descargar diariamente) y las baterías para el uso en sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS). Estas solamente entran en función cuanto hay un fallo de electricidad, pero normalmente son llenas. Internamente son diferentes, por ejemplo varia el porcentaje de antimonio en el ácido. Baterías para el uso en UPS frecuentemente no aguantan el uso cíclico en sistemas de energías renovables.

Peligros de Baterías de Plomo

No hay que olvidar que a parte del agresivo acido sulfúrico y los gases explosivos que pueden producirse en ciertas condiciones, el plomo es venenoso. Se acumula en los huesos y con el tiempo causa graves daños de salud. Sobre todo niños están en peligro. Por esto se prohibió el uso de plomo en los combustibles y pinturas. Es importante tenerlas en lugares ventilados y asegurados para evitar accidentes. Este problema es reducido pero no eliminado con los modelos VRLA sellados de gel o AGM. Por su contenido tóxico y agresivo, las baterías necesitan ser recicladas para no dañar la salud y el medio ambiente.

Vida de Baterías Solares

La vida de las baterías aparte de la edad, se mide en la cantidad de ciclos de cargar y descargar que se determinan a cierta profundidad de descarga a una temperatura específica (normalmente a 20 o 25ºC). Traducida en años, y asumiendo un ciclo por día, baterías de calidad en un ambiente normal, que no se descargan excesivamente y se carga correctamente, tienen una vida de por lo menos seis años, ocho a diez años es común y hay baterías industriales que después de 20 años todavía mantienen una capacidad de 80%. Aparte de la calidad de la fabricación y del tipo, la vida depende sobre todo de su manejo correcto.

Con el uso difícil a controlar, no sorprende que los fabricantes prefieren no ofrecer garantías largas.

Baterías representan una de las más costosas partes en sistemas solares y eólicos no conectados a la red y son la única parte a reemplazar periodicamente. Su vida, que depende en gran parte de un manejo adecuado, afecta directamente la economía del sistema (y el mediambiente). En este link detallamos algunos aspectos sobre la utilización correcta de baterías, que frecuentemente no recibe la atención adecuada.

Condiciones que afectan la vida de baterías

La mayoría de baterías de carros viven menos de 200 ciclos si se descarga regularmente a 50% de su capacidad. Baterías liquidas de ciclo profundo (incluso las 'selladas') son capaces de 400 ciclos, baterías de AGM y de Gel superan fácilmente 800 ciclos. Hay baterías para el uso industrial (por ejemplo los tubulares OPzS o OPzV) que pueden manejar bajo buenas condiciones más de 10,000 ciclos!

Exponer las baterías a temperaturas elevadas o descargarlas por completo, aunque muy pocas veces, arruina este cálculo!

Gráfica de la vida de batería versus la profundidad de descargaTodas las baterías a base de plomo necesitan (quizás como humanos) una buena alimentación (carga). Baterías de calidad, siempre llenas, sin sobrecargarlas, pueden vivir 10 años o más. Si se descargan frecuentemente en forma profunda (aunque el termino 'ciclo profundo' sugiere diferente), mueren más rápidas. La ilustración a la izquierda muestra la profundidad de descarga versus el número de ciclos. Mantenerlos sin 'alimento' (carga) sobre un tiempo prolongado es su fin.

En la práctica es importante instalar suficiente capacidad para no descargar las baterías a menos de 50% de su valor nominal. (Nota: también se necesita suficiente capacidad de paneles solares o del aerogenerador para cargarlas por completo). Tener suficiente capacidad instalada además tiene el importante beneficio de aumentar las reservas por ejemplo para los días con poco sol o viento y para situaciones de emergencias cuando de repente se necesita más luz. Entonces, dependiendo de la necesidad de electricidad, es importante calcular un balance óptimo para la capacidad instalada. A lo largo es económicamente más favorable invertir en buenas y suficientes baterías.

Lamentablemente mucha gente prefiere ahorrar en baterías con la sorpresa más adelante de baterías muertas en poco tiempo. La entonces expresada opinión que las baterías son malas frecuentemente no es correcto, era su uso inapropiado - en su mayoría descargas profundas.

Nuestra calculadora solar es de gran ayuda en dimensionar la potencia necesaria de la(s) batería(s) según sus requerimientos de energía.

vida baterias vs temperaturaTemperatura: factor decisivo para la vida de baterías

La temperatura tiene gran influencia sobre la batería. No quieren el frio, ni el calor: una temperatura entre 20 y 25°C es lo óptimo para una batería en uso.

A más alta temperatura, la vida es más reducida. Una temperatura 10 grados arriba de 25ºC puede cortar la vida por la mitad! La gráfica a la derecha ilustra este fenómeno.

Por otro lado la capacidad de almacenar energía disminuye en temperaturas bajas, pero no reduce la vida. Entonces para una batería sin uso, es preferible mantenerla a una temperatura más baja, pero sin congelarla!

La temperatura también influye como cargar una batería. Con el aumento de la temperatura hay que disminuir el voltaje para evitar una gasificación, pero todavía asegurando una carga por completo. Por eso, todos los controladores buenos tienen una compensación de temperatura incorporada. Recordamos que una gasificación en baterías selladas (libre de mantenimiento) no es recuperable: el liquido se pierde por las válvulas sin tener la posibilidad de rellenarlas.

Eficiencia de Baterías Solares

La capacidad de las baterías varía según tipo, su calidad de construcción, la temperatura, vejez, y el estado de descarga. Una batería descargada con una corriente alta en poco tiempo tiene menos capacidad que la misma descargada con una corriente pequeña sobre un tiempo prolongado. Normalmente los fabricantes de baterías indican la capacidad de la batería descargada sobre 24 horas (C24), pero algunos miden la capacidad hasta 100 horas (C100) y así indican un valor comparativo más alto de la competencia.

Más importante es la diferencia entre la cantidad de energía que entra en la batería (cargando) y la que es disponible en la batería (descargando). Esta eficiencia de Coulomb (también conocido como eficiencia de Faraday) es en baterías normales de plomo entre 70 y 85%. Significa por ejemplo que de 100Ah usados para cargar la batería, solamente entre 70 y 85Ah son disponibles, el resto de la energía se pierde principalmente en calor y el proceso químico. Las baterías de buena calidad, sobre todo los de tipo AGM, pueden tener una eficiencia hasta 95%. Esta pérdida frecuentemente se olvida en la planificación de sitemas con baterías.

Tipos de Baterías de Plomo para Aplicaciones Solares

Se usan en la mayoría dos diferentes tipos de baterías de plomo:

1. Baterías Liquidas son las más antiguas y su simple producción permiten precios favorables. Existen en versión abierta con tapas que dejan sustituir el agua o en versión 'libre de mantenimiento' que son cerradas, pero con válvulas para que posibles gases puedan escapar durante cargas excesivas (en la realidad no son libre de mantenimiento, son de bajo mantenimiento). Sus ventajas aparte de los precios es que son menos problemáticos si se sobrecargan. Las desventajas son que durante la carga escapa hidrógeno (explosivo), existe el peligro de perder el muy agresivo acido, un control del nivel del agua es necesario (en las de 'libre mantenimiento' no se pueden sustituir el agua), y su corta vida típica de aproximadamente 400 ciclos de carga y descarga. Una ventilación es muy importante para estos tipos de batería y temperaturas bajo zero pueden destruirlas rápidamente.

2. Baterías tipo VRLA (abreviación del inglés: Valve Regulated Lead Acid battery). Estas baterías modernas tampoco son completamente selladas, pero contienen una tecnología que recombinan el oxigeno y hidrógeno que sale de las placas durante la carga y así eliminan la pérdida de agua si no son sobrecargadas. Estas baterías funcionan en cualquiera posición. Hay dos tipos principales: los de consistencia de Gel y los AGM, donde el acido es fijado en fibra de vidrio (AGM - absorbed glass mat). Ambas se puede usar en temperaturas bajas.

  • Baterías de Gel. En estas baterías 'selladas', el acido tiene la forma de gel. Su gran ventaja es que ya no hay un liquido que se puede perder, son cerradas y funcionan en cualquier posición. La corrosión es reducida y son más resistentes a bajas temperaturas. Su vida es mucho mayor que la vida de las baterías liquidas y comparado con otras, son las menor afectadas en casos de descargas profundas. Las desventajas son una resistencia interna poco más alta que reduce el flujo máximo de la corriente, son algo más delicadas para cargar y llevan un precio mayor. Estas baterías, por su larga vida, se usan frecuentemente en la industria y la telecomunicación.

Batería AGM de Rolls

  • Baterías tipo AGM. En estas baterías, desarrolladas inicialmente para la aviación, el ácido esta fijado en fibras de vidrio (a veces se llaman baterías 'secas' por su reducida cantidad de ácido). Cada vez mas se usan en sistemas solares y eólicos. Sus ventajas son una alta resistencia en climas fríos, su auto descarga sobre el tiempo es mínimo y tiene la eficiencia más alta de todas las baterías de plomo (hasta 95%). Tienen una baja resistencia interna que permite corrientes altas. Desventaja, aparte del precio, es su vulnerabilidad más alta a descargas profundas. La vida puede variar considerablemente según calidad.

 

La batería líquida OPzS de HoppeckeQueremos destacar que no existe la mejor batería. Hay que encontrar la batería óptima para cada solución.

Hay una tendencia de cada vez más usar las de tipo AGM por su buena relación de vida por precio y su manejo fácil con un peligro reducido. Las baterías tipo VRLA son las únicas del tipo plomo que se permite transportar en aviones.

Existen baterías liquidas tradicionales aptos para aplicaciones solares y eólicas de una excelente calidad con una vida extrema que se usan frecuentemente en operaciones de altas exigencias (un ejemplo son las baterías tubulares OPzS de Hoppecke que pueden alcanzar una vida de diseño hasta 25 años! Vea imagen a la izquierda).

En mercados con una oferta reducida, baterías de ciclo profundo que se usan en la minería o para carretillas elevadoras (montacargas) pueden ser una opción viable, donde el mejor precio puede justificar una vida algo menor.

Para alguien que siempre pueda asegurar la atención necesaria, una batería liquida tradicional puede ser una opción sobre todo considerando el precio.

Como sea, no podemos recomendar ahorrar en baterías. Baterías son el 'Talón de Aquiles' de cualquier sistema independiente de la red.



Hay mucha información disponible sobre baterías. Buenas fuentes para el uso en sistemas solares y eólicos se encuentran en las siguientes páginas (todas en inglés):


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