GRANDES BANCOS DE BATERÍAS

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1 GRANDES BANCOS DE BATERÍAS Seminario de Almacenamiento de Energía en Media Potencia Postgrado en Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma de San Luis Potosí 10 Noviembre del 2012

2 Índice Ø Objetivo del Seminario Ø Introducción Ø Principios operativos de cada tecnología Ø Aplicaciones reales de bancos de baterías Ø Normatividad en la realización de pruebas y retos técnicos. Ø Conclusiones

3 Obje%vo del seminario Grandes Bancos de Baterías Objetivo Tener un panorama general de las diferentes tecnologías actuales de bancos de baterías que existen comercialmente, conocer sus principales características técnicas y ver ejemplos de aplicaciones reales.

4 Introducción Porqué implementar un sistema de almacenamiento de energía? Demanda eléctrica variable. Incremento de los factores de generación y transmisión. Aumentar confiabilidad. Aprovechar la generación eléctrica con fuentes renovables de energía. Disminución de gases de efecto invernadero.

5 Introducción Clasificación de las diferentes tecnologías de sistemas de almacenamiento instaladas [1].

6 Introducción

7 Introducción

8 Principios opera%vos de una batería Ø La batería es un dispositivo que convierte la energía química contenida en sus materiales activos en energía eléctrica mediante una reacción electroquímica de óxido-reducción. Ø El componente básico de la batería es una celda, la cual está compuesta por tres componentes: Ø El ánodo o electrodo negativo, el cual proporciona los electrodos al circuito externo y es oxidado durante la reacción electroquímica. Ø El cátodo o electrodo positivo, el cual acepta los electrones del circuito externo y es reducido durante la reacción electroquímica. Ø El electrolito o conductor iónico, el cual proporciona el medio para la transferencia de carga de los iones en el interior de la celda entre el ánodo y cátodo. Celda Batería Banco de baterías

9 Clasificación general de baterías Gldfngldfnvdlfbndlfbndlfb

10 Diferentes tecnologías de baterías Tipo Voltaje (V) Densidad de energía (Wh/kg) Potencia (W/Kg) Eficiencia (%) Descarga (%/ mes) Ciclos Vida media (años) Plomo- ácido (estacionaria) Alcalina < <5 Ni- Hierro Ni- cadmio Ni- H NiMH Ni- Zinc Ión- lixo Li- polímero LiFePO Li- azufre ~100 Li- Xtanato Zn- Br V redox (estacionaria) Na_S Sal fundida Ag- Zn Algunas características de las baterías secundarias más empleadas.

11 Baterías Plomo- ácido Inventada en 1859 por el frances Gaston Planté fue la primera batería recargable de uso comercial. A mediados de 1970 se desarrolló la batería libre de mantenimiento que podía usarse en cualquier posición. Válvulas de seguridad fueron adicionadas para permitir la salida de gases durante la carga y descarga.

12 Baterías Plomo- ácido Ø Principio operativo de las baterías plomo-ácido

13 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación de las baterías plomo-ácido Por tipo de placas. Por tipo de aleación. Por tipo de mantenimiento. Por tipo de electrolito. Según el uso.

14 Baterías Plomo- ácido Ø Placa tipo plana estampada Placa formada por una rejilla plana de aleación de plomo que sirve de conductor de corriente y de soporte mecánico. Material activo soportado sobre la rejilla de diferentes espesores lo que definirá su capacidad. Placas delgadas permiten altas corrientes de descarga por tener gran área específica. Placas gruesas permiten tener descargas lentas por periodos prolongados.

15 Baterías Plomo- ácido Ø Placa tipo tubular Placa formada por una rejilla tubular en forma de peine que sirve de conductor de corriente. Un tubo que fabricado del material activo y que contiene el propio material activo. Esta configuración soporta gran cantidad de ciclos profundos debido a que por su construcción el material activo no puede desprenderse de la rejilla.

16 Baterías Plomo- ácido Ø Placa tipo Planté (a) (b) La placa Planté está fabricada con una placa de plomo sobre la que se forma el material activo haciendo pasar corriente a través del elemento primero en un sentido y luego en sentido contrario. Las placas generalmente son de varios mm de espesor y soportan una cantidad de ciclos intermedios entre la placa plana y la de tipo tubular. Placa Planté tipo Gould (a). Es una placa de plomo lisa que se somete a un proceso de ranurado con el que se obtienen películas finas con un núcleo de Pb. Placa Planté tipo exide Manchester (b). Construida en un emparrillado de plomo y antimonio. El material activo son cintas acanaladas de Pb enrolladas e introducidas a presión en las perforaciones de la parrilla.

17 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación por tipo de aleación Aleación Pb-antimonio El porcentaje de antimonio varía entre el 10 al 2.5%. Mayor concentración de antimonio permite mayor ciclado de la batería pero aumenta la gasificación y el consumo de agua. Este tipo de aleación es adecuada para la fabricación de baterías inundadas y abiertas. No se recomienda para la fabricación de baterías libres de mantenimiento.

18 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación por tipo de aleación Aleación Pb-selenio El porcentaje de antimonio varía entre el 1 y 2% con pequeño porcentaje de selenio. El selenio logra una rejilla uniforme con propiedades físicas y eléctricas adecuadas. Se reduce considerablemente la gasificación y permite que la batería pueda ser libre de mantenimiento dependiendo de su aplicación.

19 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación por tipo de aleación Aleación Pb-calcio No existe presencia de antimonio y el contenido de calcio es menor dando a las placas las mismas propiedades mecánicas y eléctricas que con antimonio. Tiene la autodescarga más baja y es menos propensa a la gasificación. Esta aleación es la idónea para la fabricación de las baterías libres de mantenimiento.

20 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación por tipo de mantenimiento Mantenimiento alto (baterías con alto contenido de antimonio) Mantener el nivel adecuado del electrólito adicionando agua destilada. Limpieza permanente de los bornes para evitar su corrosión acelerada. Limpieza permanente de la caja de la batería. Mantenimiento bajo (baterías con bajo contenido de antimonio) Revisión esporádica del nivel del electrólito. Limpieza esporádica de los bornes Limpieza esporádica de la caja de la batería. Libre de mantenimiento (baterías Pb-calcio) No se requiere ningún mantenimiento. Limpieza esporádica de la caja de la batería.

21 Baterías Plomo- ácido Electrólito líquido Ø Clasificación por tipo de electrólito Solución acuosa de ácido sulfúrico cuyas densidades pueden variar entre a El valor de la densidad depende del volumen contenedor, el uso de la batería y la temperatura. Se usa tanto en baterías abiertas y selladas. Hay estratificación de electrólito y requiere alto mantenimiento de agua. Electrólito gelificado El gel se hace a través de la mezcla del electrólito con una sílica amorfa dando como resultado un compuesto de la consistencia de un gel. Se usa generalmente en baterías selladas. No hay mantenimiento de agua, mínima estratificación de electrólito, no hay derrame, alta resistencia interna. Libre de mantenimiento (baterías Pb-calcio) El electrólito líquido esta absorbido en una fibra de vidrio microporosa que mantiene suspendido el electrólito. Esta absorción del electrólito en el separador permite que la batería se instale en cualquier posición. Se usa generalmente en baterías selladas. No hay mantenimiento de agua, mínima estratificación de electrólito, no hay derrame, baja resistencia interna.

22 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación por el tipo de uso

23 Baterías Plomo- ácido Ø Clasificación por el tipo de uso

24 Baterías Plomo- ácido Ø Características operativas

25 Baterías Plomo- ácido Ø Capacidad típica de baterías Pb-ácido (amperes-hora)

26 Baterías Plomo- ácido Ø Variación de la capacidad de baterías Pb-ácido en función de la temperatura

27 Baterías Plomo- ácido Ø Efecto de la temperatura en la vida de las baterías Pb-ácido

28 Baterías Plomo- ácido Ø Efecto de la profundidad de descarga en la vida de las baterías Pb-ácido

29 Baterías Plomo- ácido Ø Variación de la capacidad de las baterías Pb-ácido en función de su edad

30 Baterías Plomo- ácido Ø Efecto de la profundidad de descarga en la vida de las baterías Pb-ácido

31 Baterías Plomo- ácido Ø Razones de autodescarga en baterías Pb-ácido

32 Baterías Plomo- ácido Ø Efecto de la gravedad específicas del electrólito en baterías Pb-ácido Gravedad específica alta Más capacidad Menor duración. Se requiere menos espacio. Régimen de descarga momentáneo más elevado. Menos adaptable para trabajo de flotación. Mayor autodescarga cuando permanece en circuito abierto Gravedad específica baja Menor capacidad. Más duración. Se requiere mayor espacio. Régimen de descarga momentáneo más reducido. Más adaptable para trabajo de flotación. Menor autodescarga cuando permanece en circuito abierto

33 Baterías Plomo- ácido Ø Ventajas y limitaciones Ventajas Precio accesible De fácil manufactura. Tecnología madura y confiable. Capaz para altas descargas. Bajo mantenimiento. Limitaciones No puede almacenarse descargada. Baja densidad de energía. Permite limitados números de descargas profundas. No amigable con el ambiente. El electrolito y el plomo dañan al ambiente. Calentamiento excesivo con carga inadecuada.

34 Baterías Níquel- cadmio Ø Principio operativo de las baterías níquel-cadmio El ánodo es de cadmio y el cátodo es de óxido de niquel (IV). El electrolito es una solución de KOH, las reacciones de descarga y carga son:

35 Baterías Níquel- cadmio Ø Capacidad típica de baterías níquel-cadmio (amperes-hora)

36 Baterías Níquel- cadmio Ø Capacidad de las baterías níquel-cadmio en función de la temperatura

37 Baterías Níquel- cadmio Ø Efecto de la temperatura en la vida de las baterías níquel-cadmio

38 Baterías Níquel- cadmio Ø Características técnicas de las diferentes tecnologías de baterías níquel-cadmio comerciales

39 Baterías Níquel- cadmio Ø Ventajas y limitaciones Ventajas Carga rápida y simple. Altos números de ciclos de carga/descarga Alta durabilidad en cualquier estado de carga Almacenamiento y transportación simple. Limitaciones Relativa baja densidad de energía compara con nuevas tecnologías. Efecto memoria. Ambientalmente no amigable. Tiene altas tasas de descarga. Buen funcionamiento a baja temp. Resistente al abuso.

40 Baterías Ion- li%o El lito es el metal más ligero, de mayor potencial electroquímico y mayor densidad de energía. En 1970 se comercializa la primera batería no recargable. En 1980 se fabrica la primera batería recargable pero falla debido a la alta inestabilidad del litio (especialmente durante la carga). Se opta por usar el ion-lito de una ligera menor densidad de energía pero más estable y se comercializa en 1991.

41 Baterías Ion- li%o Ø Principio operativo de las baterías Ion-litio El ánodo es óxido de litio y el cátodo es carbón. Durante la carga iones de litio son extraídos del ánodo e insertados en el carbón. Durante la descarga se lleva a cabo la reacción inversa.

42 Baterías Ion- li%o Ø Ventajas y limitaciones Ventajas Alta densidad de energía Relativa baja autodescarga. Bajo mantenimiento. No sufre de efecto memoria. Capacidad de carga rápida. Larga vida útil. Selladas y no requiere mantenimiento. Limitaciones Requiere de un circuito protector para limitar el voltaje y la corriente. Moderadas corrientes de descarga Alto costo Degradación a altas temperaturas. Pérdida de capacidad cunado se sobrecarga. Tecnología no completamente madura Peso ligero.

43 Baterías NaS Ø Principio operativo de las baterías NaS El ánodo es sodio fundido y el cátodo es azufre fundido. El electrolito es un cerámico sólido de alúmina que permite el pasode los iones de sodio para combinarse con el azufre. 2Na + 4S = Na 2 S 4 La batería se carga y descarga con potencual eléctrico y ello causa que los iones sodio se muevan entre electrodos positivos y negativos a través del electrólito. La temperatura de operación de los sistemas más modernos esta entre los 270 y 350 C.

44 Baterías NaS Ø Ventajas y limitaciones Ventajas Larga vida útil. Baja tasa de autodescarga Limitaciones Elevada temperatura de trabajo. Alto costo. Alta energía específica Alta densidad de energía No presenta efecto memoria.

45 Baterías de flujo Zn- Br y de redox Vanadio Los electrolitos almacenados en tanques circulan a través de las celdas gracias a un sistema de bombeo. En el caso de la batería Zn-Br los electrolitos son soluciones acuosas de ZnBr2, mientras que en la de redox vanadio, los electrolitos son de vanadio.

46 Baterías de flujo Zn- Br y de redox Vanadio Ø Características técnicas (Zn-Br) Ø Características técnicas (redox vanadio

47 Baterías de flujo Zn- Br y de redox Vanadio Ø Ventajas y limitaciones Ventajas Buena eficiencia energética. Materiales de fácil adquisición y de bajo costo. Limitaciones Requiere de un sistema auxiliar de recirculación. y de control de temperatura. Densidad de energía moderada. Trabaja a temperatura ambiente. Capacidad de carga rápida. Bajo impacto ambiental. No se daña a descargas al 100%.

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