Las baterías como solución actual de almacenamiento eléctrico

Éric Moya y Héctor Beltrán

Tal y como se desprende de los niveles de inversión y financiación del sector del almacenamiento de energía eléctrica en los últimos años y, sobre todo, del espectacular incremento acaecido en los últimos 24 meses, se puede afirmar sin miedo a equivocarse que el almacenamiento tanto para instalaciones en hogares como para aplicaciones a nivel de red eléctrica está en pleno auge. Y esto no parece ya discutible a nivel internacional, si bien España es un poco la excepción entre los países industrializados debido, en parte, al Real Decreto de autoconsumo (RD 900/2015) que entró en vigor en octubre del año pasado. Si bien este RD no imposibilita la instalación de sistemas de almacenamiento en la red peninsular, se pude decir que no lo fomenta o que incluso lo dificulta en cierta manera.

Tal y como ya hemos comentado en entradas anteriores de este blog,  hay distintas maneras de transformar la energía eléctrica en otras formas de energía almacenables. Estas se clasifican normalmente en tecnologías capaces de acumular energía en forma electroquímica (baterías), mecánica (volantes de inercia, bombeos hidráulicos, sistemas de aire comprimido), electromagnética (superconductores o bobinas superconductoras), o térmica (depósitos de sales industriales o materiales de cambio de fase).

No obstante, de entre todas ellas, el sector que más rápidamente se está desarrollando y que es el que está consolidando estas dos industrias (almacenaje en hogares y a gran escala para dar servicio a la red o integrar renovables) es el del  almacenaje electroquímico en baterías. Entre las tecnologías de baterías más avanzadas a nivel comercial podemos destacar distintas químicas como son: plomo ácido, iones de litio, sulfuro de sodio, y las basadas en níquel (NiCd y NiMH). En esencia, todas ellas son similares estructuralmente, contando con dos electrodos (trozos de material eléctrico o conductor utilizados para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito) separados por un electrolito. Al ser baterías recargables, los dos electrodos (ánodo y cátodo) son reversibles pudiendo tomar tanto polaridad negativa como positiva. Los diferentes elementos químicos utilizados en cada uno de estos tres elementos (ánodo, cátodo y electrolito) confieren a cada uno de los tipos de baterías unas características de funcionamiento y unas potenciales aplicaciones diferentes, tal y como se describe a continuación: 

  • Plomo ácido - Constan de un cátodo de PbO2 y un ánodo de Pb metal. Al oxidarse el Pb se liberan electrones que proporcionan la corriente eléctrica que utilizamos. Este tipo de tecnología sigue siendo la más barata a día de hoy ya que es la que tiene un mayor bagaje. De hecho, fue la pionera en el sector del almacenaje químico y cuenta con numerosas aplicaciones tales como la ya tradicional de arranque de los vehículos o el uso en sistemas de alimentación ininterrumpida (SAIs). Ante la competencia de otras químicas, el sector del plomo ácido ha evolucionado en los últimos años, ofreciendo distintas variantes (shallow-cycle, deep-cycle, o gel-cell) que se adaptan mejor a las diferentes potenciales aplicaciones que se presentan actualmente en el mercado con distintos requerimientos a nivel de ciclos de carga/descarga. Así, el plomo ácido sigue siendo una solución relativamente económica a día de hoy para casi cualquier aplicación con almacenamiento, Fig. 1.

Fig. 1.  Batería de ácido plomo de 12V, 7,0 Ah. Imagen de e-tech Batteries (www.e-tech.mx), via Wikimedia Commons.

  • Ion litio - También cuentan con dos electrodos en contacto con un electrolito de sal de litio, que se oxida liberando electrones. Partiendo del sector de la telefonía móvil y los ordenadores portátiles, las distintas químicas basadas en litio que se conocen popularmente como baterías de iones de litio se han hecho con un gran hueco en el mercado del almacenamiento. Y esto ha sido así gracias en parte a una buena campaña de prensa y en parte a la entrada en su campo de desarrollo de importantes empresas tecnológicas. Así, el ion litio es la tecnología estrella hoy en día y es en la que más se está investigando a pesar de que posiblemente no sea la mejor de las tecnologías de forma global en la actualidad. No obstante, cabe recalcar alguna de sus principales puntos fuertes como son su elevada densidad energética y su bajo nivel de autodescarga (proceso de pérdida de carga sin ser utilizadas por el mero paso del tiempo). Además, presentan poco efecto memoria y gran capacidad para funcionar durante un elevado número de ciclos.

Fig. 2. Batería de ion litio para alimentar un teléfono móvil y litio para almacenamiento en hogares. Imágenes de dominio público.

  • Sulfuro de sodio - en ellas se produce una reacción química de tipo redox en la que se oxida el sodio y se reduce el azufre, formándose sulfuro de sodio y liberándose electrones en el proceso. Estas baterías entraron con mucha fuerza en el mercado en los años 90, principalmente en Japón donde se ha llegado a desarrollar con ellas una instalación de 51MW // 245 MWh que permite estabilizar la producción de un parque eólico (Aomori). No obstante, su falta de estabilidad que propició la aparición de algún incendio en sus instalaciones produjo una gran desconfianza hacia ellas y quedaron temporalmente algo relegadas. Tras la crisis de Fukushima que ha motivado la reactivación de todo el sector renovable en Japón, y con los nuevos desarrollos de NaS que se tienen hoy en día, esta tecnología está intentando volver a hacerse un hueco en el mercado gracias a sus buenas prestaciones técnicas. 

Fig. 3. Batería de sulfuro de sodio (pila, pack, y sistema de gran capacidad)

  • Níquel-Cadmio - está química atañe principalmente a las pilas comunes, con forma cilíndrica y con un terminal en cada extremo. Contienen cadmio metal que se oxida y un hidruro de níquel que se reduce produciendo una diferencia de potencial en sus extremos. Aunque han tenido una gran importancia en el pasado en sectores como los juguetes o los controles remotos, y han llegado a presentar desarrollos gigantescos como el sistema de 46 MW // 10MWh desarrollado en Fairbanks (Alaska) en 2003, actualmente está quedando desplazadas por motivos medioambientales (su alto nivel de contaminación al usar níquel) y por su significativo efecto memoria.

Fig. 4.  Baterías típicas de NiCd. Imagen de dominio público .

  • Níquel-Hidruro metálico - se trata de una química muy similar a la anterior. Internamente están compuestas por hidróxido de Níquel (negativo) y un hidruro metálico (positivo). Del mismo modo que las de Ni-Cd. Aunque nacieron hace tiempo como sustitutas de las anteriores con mejores prestaciones (menos contaminantes, no sufren el efecto memoria, y admiten el doble de ciclos de carga/descarga que sus predecesoras) se puede decir que entraron por fin con fuerza en el mercado de la mano de las cámaras fotográficas digitales. A partir de ahí, han sido utilizadas con éxito en aplicaciones de mucha mayor potencia normalmente asociadas a la tracción. Nótese que las usan el modelo Prius de Toyota o distintos modelos de tranvía como el Citadis desarrollado por Alstom e instalado por ejemplo en Niza. 

Fig. 5. Batería de NiMH moderna y tranvía CItadis de Alstom. Imágenes de dominio público.

Esta es una breve revisión de las 5 principales familias de baterías electroquímicas que han marcado el sector en los últimos años, aunque el lector debe tener presente que dentro de cada una de ellas existen múltiples variantes que están desarrollando los distintos fabricantes y, por tanto, con características bastantes diversas en función de las calidades. Aun así, dejamos a modo de cierre de esta entrada una tabla comparativa que podría servir como referencia a la hora de elegir entre una tecnología u otra, si bien es cierto que dado el dinamismo del sector algunas de las características pueden verse mejoradas en breve y de forma casi continúa. Esperamos que, en todo caso, resulte de interés. 


 

 

20160712075657.20160616_f2e_jornada_260_auto_ar_pad_ncrop