Baterías para Aplicaciones Estacionarias

Baterías para aplicaciones
en ESPAÑOL estacionarias

Roberto Villafáfila
CITCEA-UPC
roberto.villafafila@citcea.upc.edu

Presentación
Barcelona-España
24 noviembre 2008

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.

en ESPAÑOL www.leonardo-energy.org *** www.leonardo-energy.org/Espanol

Sistemas de baterías para aplicaciones
conectadas a la red

Alimentación cargas en corriente continua:

RECTIFICADOR CARGA
RED
CA/CC CC

BATERÍAS

Alimentación cargas en corriente alterna:


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

Ión-Litio
Plomo-
Ni-Cd Ni-MH Ión-Li Ión-Li
ácido Ión-Li Cobalto
Manganeso Fosfato
Tensión nominal
1,25V 1,25V 2V 3,6V 3,6V 3,3V
por celda
Resistencia 100-200 200-300 por Inferior a 100 100-130 por celda
25-75 por celda 25-50 por celda
interna [mΩ] por módulo 6V módulo 6V por módulo 12V 150-300 por módulo

Densidad
45-80 Wh/kg 60-120 Wh/kg 30-50 Wh/kg 150-190 Wh/kg 100-135 Wh/kg 90-120 Wh/kg
energética
Corriente 0,5C o
1C 0,2C 1C o menos 10C o menos 10C o menos
recomendada inferior
Corriente
máxima 20C 5C 5C Inferior a 3C Inferior a 30C Inferior a 30C
permitida
Número de ciclos >1000 bajo
de carga/descarga >1000 300-500 200-300 300-500 300-500 condiciones
(hasta el 80% de la
capacidad inicial) controladas

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


Comparativa
Ión-Litio
Plomo-
Ni-Cd Ni-MH Ión-Li Ión-Li
ácido Ión-Li Cobalto
Manganeso Fosfato
Autodescarga
20% 30% 5% Inferior al 10%
mensual
Tolerancia a la
Moderada Baja Alta Baja
sobrecarga
Temperatura de
de -40º a 60ºC De -20º a 60ºC de -20º a 60ºC de -20º a 60ºC
operación
Estabilidad
Sí Sí Sí Hasta 150ºC Hasta 250ºC Hasta 250ºC
térmica
Cada 3-6
meses para
Periodicidad del Cada 2 meses Cada 3 meses
abiertas y casi No necesario
mantenimiento máximo máximo
nulo para
VRLA
Impacto Bajo toxicidad Alto
Muy alto Poco tóxicas
medioambiental Reciclable Reciclable
Recomendado Recomendado Recomendado
Seguridad Circuito de seguridad obligatorio
fusible fusible fusible
Uso comercial
1950 1990 1970 1991 1996 2006
desde


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