Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica USO DE BATERÍAS EN COSTA RICA

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico USO DE BATERÍAS EN COSTA RICA Por: SHAJAR AVIRAM TRAUBITA Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre del 2007

2 USO DE BATERÍAS EN COSTA RICA Por: SHAJAR AVIRAM TRAUBITA Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Jaime Allen Flores Profesor Guía Ing. Max Ruiz Arrieta Profesor lector Ph.D Orlando Bravo Trejos Profesor lector 1

3 ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...10 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Definición de baterías Tipos de Baterías Baterías primarias: Baterías secundarias: Parámetros de importancia Voltaje: Corriente: Capacidad: Densidad de almacenamiento de energía: Densidad de Potencia: Velocidad de descarga: Vida media: Eficiencia de energía: Comportamiento ante la sobrecarga: Auto descarga: Tolerancia a las condiciones de uso: Clasificación de baterías por agentes reactantes Baterías de dióxido de manganeso Construcción interna Ventajas y Desventajas Baterías de Litio Construcción interna El ciclo de carga y descarga de la batería ión-litio Ventajas y desventajas Baterías Zinc-Oxido de mercurio Construcción interna Ventajas y desventajas Baterías de Zinc-Aire Construcción interna Ventajas y Desventajas Baterías de Niquel/Hidruro Metálico (NiMH) Construcción interna

4 Ventajas y desventajas: Desempeño en altas temperaturas Baterías de Níquel Cadmio, Ni-Cd Construcción interna Ventajas y desventajas Capacidad en función de temperatura y en influencia de la corriente de descarga Baterías de Plomo Ácido Ciclo de carga y descarga de la batería plomo-ácido Comprobación de baterías de plomo ácido (22) Mantenimiento de baterías plomo ácido (22)...45 CAPÍTULO 3: Baterías en Costa Rica Partidas Arancelarias Importación y aranceles de baterías en Costa Rica...45 CAPÍTULO 4: Normativa de baterías Consecuencias del uso de metales pesados Normativa internacional de baterías UE EEUU Brasil Argentina México...57 CAPÍTULO 5: Análisis de resultados, conclusiones y recomendaciones Análisis de resultados Conclusiones Recomendaciones Recomendaciones para Normativa Costarricense de baterías Recomendaciones de un laboratorio de baterías para el ámbito nacional...72 BIBLIOGRAFÍA...73 APENDICE...79 ANEXO 1 Capítulo ANEXO 2: Norma 91/157/CEE...96 ANEXO 3: Norma 98/101/CEE ANEXO 4: Norma 2006/66/CE ANEXO 5:Universal Waste Rule ANEXO 6: CONAMA (Nº257)

5 ANEXO 7: LEY ÍNDICE TABLAS Tabla 2.1: Datos comparativos de corriente de descarga vs capacidad disponible Tabla 3.2.1: Cifras de importación de pilas por peso, valor comercial y aranceles; asignados por tipo de batería Tabla 3.2.2: Cifras de importación de acumuladores por peso, valor comercial y aranceles; asignados por tipo de batería Tabla 3.2.3: Cifras de importación de pilas, por peso y valor comercial; asignado por tipo de batería Tabla 3.2.4: Cifras de importación de acumuladores, por peso y valor comercial; asignado por tipo de batería Tabla 3.2.5: Cifras de importación por peso y valor comercial; asignado por país Tabla 3.2.6: Cifras de importación por peso y valor comercial; asignado por región ÍNDICE FIGURAS Figura 2.1: Estructura interna de una batería Figura 2.2: Batería de dióxido de manganeso Figura 2.3: Constitución Interna de la batería de litio Figura 2.4: La batería de litio completamente descargada Figura 2.5: El proceso de carga de la batería Figura 2.6: Termina el proceso de carga de la batería Figura 2.7: Batería cargada con una carga Figura 2.8: Comp en pesos y carga específica para las diferentes tecnologías de baterías Figura 2.9: Construcción de la pila Zinc-Oxido de Mercurio Figura 2.10:Acumulador de aire-cinc

6 Figura 2.11: Comp Volt y cap de batería del mismo tamaño en NiCd y NiMh Figura 2.12:Vista de una pila miniatura de níquel-cadmio Figura 2.13:Gráfica de Descarga Figura 2.14:Acumulador de plomo-ácido Figura 2.15: Ciclo de carga y descarga Figura 3.2.1: Porcentaje de importación por tipo de batería por peso Figura 3.2.2: Porcentaje de importación por tipo de batería por valor comercial Figura 3.2.3: Importación por país de proveniencia por tonelada Figura 3.2.4: Importación por país de proveniencia por valor comercial en dólares Figura 3.2.5: Importación por en los últimos 10 años por peso en toneladas

7 CAPÍTULO 1: Introducción Debido a los avances tecnológicos existe una creciente tendencia para el uso de baterías como fuente de poder para componentes eléctricos, electromecánicos o electrónicos. Esta tendencia claramente esta siendo adoptada por una Costa Rica que se esta modernizando rápidamente donde no es irrazonable asumir que pronto se vera abrumada con una gran variedad de baterías que difieren en tecnología y tamaño. Un punto importante a considerar es que Costa Rica se encuentra en un momento en el cual se esta diversificando su cartera económica, forjando nuevas relaciones de importación y exportación con una variedad de países. En algunos casos estos nuevos socios económicos difieren en forma substancial uno de otro en las normativas en las cuales estas baterías son producidas y especificadas. Además existe una alta tendencia a importar de países que históricamente no han mantenido una estricta estandarización de control de calidad. Debido a estos factores es importante que Costa Rica se prepare usando o adoptando una normativa y una estricta estandarización por las cuales las baterías sean catalogadas, puestas a prueba, manipuladas, utilizadas y desechadas. En este proyecto se analizara los diferentes tipos y tecnologías de las baterías, se investigara acerca de la realidad nacional en cuanto a las importaciones y consumo de baterías, además la disponibilidad de los diferentes tipos de baterías en Costa Rica, y su proveniencia. 6

8 Tomando estos factores en cuenta, en este proyecto se realizara una propuesta de ciertas normativas a ser adoptadas, utilizando como una guía las normativas internacionales, con el propósito de que en un futuro cercano, estas sean implementadas. Entre los principales beneficiados por la implementación de una normativa en el país se encuentran el consumidor, los distintos componentes eléctricos, el medio ambiente y la población en general. Debido a que las baterías son consideradas elementos peligrosos por su contenido de sustancias químicas tóxicas (como el ácido sulfúrico y algunos metales pesados) el buen uso y manejo puede prevenir situaciones perjudiciales que afectarían gravemente la salud del consumidor. La posible implementación de un laboratorio de baterías a nivel nacional, podrá en parte asegurar que las baterías importadas o usadas en el país, este en buenas condiciones; evitando así el uso de baterías con derrames o corrosión, lo cual podrá proteger al usuario de un posible peligro. Además existe tecnología de fabricación de baterías que logra minimizar o eliminar estas sustancias toxicas, reemplazándolas con otras menos dañinas, en donde una normativa podrá incentivar o hasta obligar la utilización de estas baterías con el propósito de hacer su uso, mas seguro. Por otro lado ciertos componentes eléctricos son extremadamente sensibles al voltaje y a la corriente eléctrica; si la batería en uso no cuenta con una salida constante u opera fuera del rango de operación, estos componentes pueden ser dañados o pueden 7

9 inclusive dañar la batería; y en ciertos casos pueden llegar a producir una descarga eléctrica la cual puede lastimar personas que se encuentran en su cercanía. Aquí la normativa es de gran utilidad debido a la estandarización de las especificaciones y del control de calidad. En el aspecto ambiental la amplia gama de usos determina que se generen importantes cantidades de baterías usadas por año, las cuales a falta de una reglamentación legal, terminan en muchos casos, enterradas, en botaderos de residuos sólidos o en instalaciones clandestinas en donde se destapan sin medidas sanitarias o de control ambiental adecuadas, generando graves riesgos a la propia salud de quienes las manipulan, la salud pública y el medio ambiente. 8

10 1.1 Objetivos Objetivo general Estudio de las baterías en Costa Rica como un sistema de almacenamiento de energía; su disponibilidad en el mercado costarricense y la propuesta de una normativa contemplada para el ambiente nacional enfocada a la composición, las especificaciones y, su uso y desecho adecuado Objetivos específicos 1. Realizar estudios acerca de la fabricación e importaciones en Costa Rica por tipo de baterías en peso y en valor comercial. 2. Investigar los aranceles relacionados con la importación de baterías a Costa Rica 3. Estudiar la normativa internacional sobre la composición, especificaciones, usos y desechos de las baterías. 4. Montar recomendaciones sobre la normativa que debe de impulsarse en Costa Rica para la importación, fabricación, composición, uso y desechos. 5. Plantear las recomendaciones para la instalación de un laboratorio de baterías en el ámbito nacional. 9

11 1.2 Metodología Realizar consultas bibliograficas para obtener información acerca de los diferentes tipos de batería, su operación básica, su composición y las características básicas que estos tienen Investigar acerca de las leyes arancelarias en cuanto a la clasificación y recopilación de los datos aduaneros y de los censos de importación nacionales. Consultar recientes censos para obtener las estadísticas de importaciones de baterías de los últimos años. A partir de información disponible del ministerio de hacienda y de aduana central obtener las cifras arancelarias de las importaciones de baterías en Costa Rica. Revisión de algunas normas internacionales de composición, especificación usos correctos y métodos para el desecho de baterías. Verificar la existencia de propuestas actuales a nivel nacional de normativa para baterías y analizar sus contenidos. En base a las normas internacionales consultadas, realizar una propuesta para norma costarricense que adoptar. De acuerdo a la propuesta de normativa costarricense, realizar recomendaciones para un posible laboratorio de baterías en el ámbito nacional. 10

12 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1 Definición de baterías Son sistemas que permiten la acumulación de energía, (23) una batería es un recipiente de químicos que transmite electrones. Es una maquina electro-química, o sea, una maquina que crea electricidad a través de reacciones químicas. (10) Todas las baterías consisten de un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico. Los electrones (de carga negativa) corren del polo negativo hacia el polo positivo, o sea, son recogidos por el polo positivo. Si los electrones no corren del polo negativo hacia el polo positivo, la reacción química no ocurre. Esto significa que la electricidad solo es generada cuando se le liga o se le conecte una carga. Figura 2.1 Estructura interna de una batería. (25) 111

13 La unidad básica de este sistema se denomina celda o elemento, reservando el nombre de batería a la unión de dos o más celdas conectadas en serie, paralelo o ambas formas, para conseguir la capacidad y tensión deseadas. (10) 2.2 Tipos de Baterías Existen 2 tipos de baterías, las baterías primarias y las baterías secundarias Baterías primarias: Son aquellas que tienen energía almacenada en forma de reactivos químicos que se libera como energía eléctrica cuando son conectadas, pero que una vez que la energía química se ha transformado en energía eléctrica el producto químico no puede volver a su forma original, también se le dice que trabaja en un solo ciclo, es decir que una vez descargadas no es posible recuperarlas. (23) Se dice que tienen un solo ciclo de descarga. Un ejemplo de una batería primaria es la denominada: pila seca Baterías secundarias: Son aquellas que las reacciones químicas que participan en la conversión de energía pueden ser revertidas en un grado mas o menos completo, en otras palabras sistemas que permiten ser recargados o que el producto químico puede ser reconstituido pasando una 121

14 corriente eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal de la batería. Es decir que poseen mas de un ciclo de carga y descarga (pueden ser miles). (23) Un ejemplo de una batería secundaria es la batería de aplicación SLI (starting, lighting and ignition) que son las utilizadas en los vehículos para arrancar el motor, dar iluminación etc. Nota: En ciertas nomenclaturas las baterías primarias son denominadas pilas, mientras que las baterías secundarias son llamadas simplemente baterías o acumuladores. 2.3 Parámetros de importancia Existen varios parámetros para clasificar y comparar las diferentes baterías: Voltaje: Depende del material químico utilizado para la generación de la energía eléctrica, la tecnología utilizada y la configuración de las celdas que conforman la batería Corriente: Directamente relacionado con la aplicación, en otras palabras, depende de la carga que se le conecte a la batería Capacidad: La capacidad de una celda es la cantidad total de electricidad producida en la reacción electroquímica y se define en unidades de coulombs (C) o amperios-hora (Ah). 131

15 (10) En el caso de las baterías la unidad de capacidad se mide en Ah. También se utiliza el miliamperios-hora (mah) La capacidad es determinada por la masa activa de los electrodos y está determinada por la ley de Faraday: Un equivalente-gramo de material produce C o 26,8 Ah. (10) Se define capacidad teórica al valor: C t = x n F ( ) x= Número de moles que intervienen en la reacción completa de descarga. n= Número de electrones que intervienen en la reacción. F= Número de Fadaray (96500 C). La capacidad real (C r ), valor obtenido en la práctica, es inferior a la capacidad teórica debido a que la utilización de los materiales activos nunca es del 100%. (10) La capacidad se mide en la práctica descargando la celda a una intensidad hasta alcanzar un valor especificado de la tensión en bornes (tensión de corte). (10) El valor de la capacidad es el producto de la intensidad de descarga (A) por la duración de la descarga (horas). También es posible especificar la capacidad de la batería, que mide la carga almacenada en la batería completa. También se mide en Ah. 141

16 2.3.4 Densidad de almacenamiento de energía: También conocido como capacidad especifica. Es una medida de la carga por unidad de peso total de la batería. Medido en Ah/kg Densidad de Potencia: Es la potencia por unidad de peso de la batería Velocidad de descarga: Se la expresa como un cociente: C/n y el la corriente que permite descargar la capacidad C en n horas Vida media: Los ciclos carga / descarga definen la vida funcional de las baterías. A medida que una batería es recargada y descargada, (10) su capacidad sufre alteraciones y tras un cierto número de ciclos, la batería pierde la validad y no consigue completar con suceso las reacciones químicas. (10) Entonces la vida media o vida útil de una batería es la cantidad de ciclos de carga y descarga a los que se puede someter la batería antes de terminar su utilidad Eficiencia de energía: Es el cociente entre la energía obtenida en la descarga y la energía empleada para cargar la batería. (23) 151

17 2.3.9 Comportamiento ante la sobrecarga: De importancia para las baterías secundarias, ya que reacciones secundarias (por ejemplo electrólisis del agua) pueden disminuir notablemente la vida útil del sistema. (23) Auto descarga: Perdida de carga por reacciones químicas que ocurren aunque el sistema no esté siendo utilizado. (23) Tolerancia a las condiciones de uso: De acuerdo al uso, se requerirá resistencia a temperaturas extremas, golpes mecánicos, posición, etc. (23) 2.4 Clasificación de baterías por agentes reactantes Existen una gran variedad de tipos de pilas clasificados por los diferentes reactivos químicos que utilizan para la generación de la energía eléctrica. 161

18 2.4.1 Baterías de dióxido de manganeso Construcción interna Figura 2.2 Batería de dióxido de manganeso (15) El ánodo es de zinc amalgamado; el zinc tiene la tendencia a perder electrones cuando entra en reacción. Por lo tanto, durante una reacción química, el ánodo (zinc) libera electrones al circuito externo. El cátodo es un material despolarizador que es en base a dióxido de manganeso, óxido mercúrico mezclado íntimamente con grafito, y en casos extraños oxido de plata Ag2O (estos dos últimos son de uso muy costoso, peligrosos y tóxicos) a fin de reducir su resistividad eléctrica. (16) El dióxido de manganeso tiene la tendencia a ganar electrones cuando entra en reacción. Por lo tanto, durante una reacción química, el cátodo (dióxido de manganeso) gana electrones La reacción neta del cátodo convierte el dióxido de manganeso a una forma reducida. Esta reacción libera hidróxido en el electrolito. Para equilibrar esta reacción con la reacción del ánodo, deben reaccionar dos moléculas de MnO2 por cada átomo de zinc. (15) 17

19 El electrolito es una solución de hidróxido potásico (KOH), el cual presenta una resistencia interna bajísima, lo que permite que no se tengan descargas internas y la energía pueda ser acumulada durante mucho tiempo. Este electrolito en las pilas comerciales es endurecido con gelatinas o derivados de la celulosa. (16) Dentro de las reacciones que se presentan en la pila alcalina se tiene: La reacción neta del ánodo convierte el metal de zinc en óxido de zinc. La reacción química que ocurres la siguiente: La reacción química que ocurre en el cátodo es como sigue: Zn + 2 OH- ZnO + H2O + 2e- ( ) MnO2 + H2O + e- MnOOH + OH- ( ) Las pilas pueden parecer sencillas, pero proporcionar energía empacada constituye un proceso electroquímico muy complicado. La corriente eléctrica en forma de electrones comienza a fluir en el circuito externo cuando el artefacto, en este caso una bombilla, es encendido. En ese momento, el material del ánodo, el zinc (Zn), cede dos electrones (e-) por átomo en un proceso denominado oxidación, dejando atrás el zinc que contiene iones, lo cual eventualmente forma el óxido de zinc (ZnO). (15) Los electrones entran al cátodo donde reaccionan con el MnO2 y el H+ del agua para formar el MnOOH. La división del H+ de una molécula de agua genera la producción de iones de OH-. Se completa el circuito interno cuando los iones de hidróxido producidos en esta reacción en el cátodo fluyen hacia el ánodo en forma de corriente iónica. Allí son consumidos para formar complejos iones de zinc que finalmente se descomponen para formar óxido de zinc y agua. (15) 18

20 Ventajas y Desventajas Esta batería contiene mercurio en alrededor de un 0.1% de su peso total. (16) Esta cantidad de mercurio empleado le confiere mayor duración, más constancia en el tiempo y mejor rendimiento; sin embargo esto hace que su costo se eleve y que no sea amiga del ambiente. Su duración es seis veces mayor que las de zinc-carbono y suministra una fuerza electromotriz de 1,5 V. Esta batería se utiliza en aparatos de un alto consumo como: grabadoras portátiles, juguetes con motor, flashes electrónicos, por ejemplo. (16) Baterías de Litio Construcción interna Figura 2.3 Constitución Interna de la batería de litio (17) 19

21 En las baterías de ión-litio el ánodo no está formado por litio metálico sino por otro material mucho más seguro, como por ejemplo el grafito, capaz de intercalar (o almacenar) iones de litio en una forma menos reactiva que la del litio metálico, sin un notable detrimento de su densidad energética. La siguiente figura animada indica esquemáticamente el funcionamiento a nivel atómico de este tipo de baterías. (8) El ciclo de carga y descarga de la batería ión-litio Figura 2.4 La batería de litio completamente descargada (8) Los iones de litio se encuentran todos en el cátodo y la energía restante ΔE es 0 20

22 Figura 2.5 El proceso de carga de la batería (8) Al fluir la corriente en sentido contrario, los iones de litio van desplazándose hacia el ánodo y la batería se carga. ΔE va creciendo. Figura 2.6 Termina el proceso de carga de la batería (8) Ahora se encuentra completamente cargada. Todos los iones de litio se encuentran en el ánodo y ΔE esta en su punto máximo. 21

23 Figura 2.7 Batería cargada con una carga. (8) Una vez cargada la batería se le puede conectar una carga. Los iones de litio van desplazándose del ánodo al cátodo y los electrones fluyen del polo negativo hacia el positivo. ΔE va disminuyéndose hasta que llegue a su punto mínimo, en donde la batería se habrá descargado por completo de nuevo Las baterías recargables de ión-litio que empiezan ya a aparecer en el mercado están compuestas de cátodos de LiCoO2, electrolitos poliméricos y ánodos de grafito altamente densificados y con poca superficie para minimizar los fenómenos de pasivación que también les afectan. (8) Ventajas y desventajas El litio es un metal más ligero que el cadmio y que el plomo y esto da lugar a una alta capacidad específica, lo que permite obtener la misma energía con un peso muy inferior. (8) 22

24 Figura 2.8 Comparación en pesos y carga específica para las diferentes tecnologías de baterías (8) Tienen un alto voltaje por célula cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-Cd (1,2 V cada una). (7) Son baterías de poco espesor; se presentan en placas rectangulares, con menos de 5 mm de espesor. Esto las hace especialmente interesantes para integrarlas en dispositivos portátiles que deben tener poco espesor. (7) Cuando un ánodo de litio metálico se combina con cátodos de ciertos óxidos de metales de transición las celdas electroquímicas reversibles que resultan presentan valores de voltaje superiores al de otros sistemas; ello contribuye a una alta densidad de energía. (8) Carecen de efecto memoria. 23

25 La tecnología de litio es muy versátil y alcanza llegar a aplicaciones comerciales en muy distintos ámbitos, desde los que requieren pequeñas y delgadas micro baterías hasta baterías de alta capacidad y reducido peso para automóviles. (8) A diferencia del plomo o cadmio, los materiales que componen las baterías de litio más prometedoras no representan un problema de posible contaminación ambiental. (8) Descarga lineal: Durante toda la descarga, el voltaje de la batería apenas varía, lo que evita la necesidad de circuitos reguladores. Esto puede ser una desventaja, ya que hace difícil averiguar el estado de carga de la batería. (7) Baja tasa de auto descarga: Cuando guardamos una batería, ésta se descarga progresivamente aunque no la usemos. En el caso de las baterías de Ni-MH, esta "auto descarga" puede suponer un 20% mensual. En el caso de Li-Ion es de solo un 6% en el mismo periodo. (7) A pesar de todas sus ventajas, esta tecnología no es el sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos, como pueden ser: La pasivación consiste en la formación de una película de cloruro de litio (LiCl) en la superficie del ánodo. (17) De algún modo sirve para evitar la auto descarga, cuando la batería no está siendo usada. Esta delgada película es, funcionalmente, una resistencia. Pero está claro que puede producir una caída de tensión o "retraso" en la entrega de energía. (17) Conforme la batería va siendo usada, esta fina 24

26 película va desapareciendo. (17) El problema está en que la caída de tensión puede ser lo suficientemente abrupta como para que; por ejemplo, la cámara de video se apague. Cuanto mayor sea la energía requerida al principio, más acusado puede ser el problema. (17) Duración media escasa: Casi independientemente de su uso, sólo tienen una vida útil de unos 3 años. (7) Soportan un número limitado de cargas: entre 300 y 600, menos que una batería de Ni-Cd o Ni-MH. (7) Son caras: Su fabricación es más costosa que otras soluciones similares, si bien actualmente el precio se aproxima rápidamente al de las otras tecnologías debido a su gran penetración en el mercado, con el consiguiente abaratamiento. (7) Pueden sobrecalentarse hasta el punto de explotar: Están fabricadas con materiales inflamables que las hace propensas a detonaciones o incendios, por lo que es necesario dotarlas de circuitos electrónicos que controlen en todo momento la batería. (12) Peor capacidad de trabajo en frío: Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%. (7) 25

27 2.4.3 Baterías Zinc-Oxido de mercurio Construcción interna La pila consiste en un electrodo negativo de zinc amalgamado ya sea en polvo o en láminas corrugadas. El electrodo positivo es una mezcla de óxido de mercurio y grafito (6), moldeado a presión, contenidos en un envase de acero. El electrolito es una solución de hidróxido de potasio y óxido de zinc. Se utiliza material celulósico como separador y para empastar el electrolito. Figura 2.9 Construcción de la pila Zinc-Oxido de Mercurio (6) El voltaje de esta pila cuando no se la utiliza es de 1,34 volts, pero con un drenaje normal de corriente, esta tensión cae entre 1,31 y 1,24 voltios. 26

28 Algunas de sus aplicaciones son: aparatos para sordos, radios portátiles, equipos de comunicaciones, instrumentos eléctricos, instrumental científico, y en algunos casos como voltaje de referencia Ventajas y desventajas Comparadas con la mayoría de los otros tipos de pilas primarias, las de zinc-óxido de mercurio poseen ventajas. El voltaje durante su vida útil (ciclo de descarga) es prácticamente constante, y su capacidad para proveer electrones al electrodo negativo es superior a la pila zinccarbón. (6) Permite una corriente relativamente alta, que puede mantener durante un tiempo considerablemente largo. Estas condiciones se cumplen aún a temperaturas altas (6). Una ventaja interesante de ésta pila, es su capacidad para mantener un voltaje constante durante toda su vida útil. En muchas aplicaciones, el voltaje de esta pila se usa como patrón con el cual se ajustan instrumentos de medida. (6) Como desventajas contempla que: Las pilas zinc-mercurio son relativamente caras Además su aplicación se encuentra principalmente donde su reducido tamaño (12 a 25 mm de diámetro y cuanto más 25 mm de altura) constituye una ventaja (6). 27

29 Son sumamente tóxicas. Poseen casi un 30% de mercurio. Deben manipularse con mucho cuidado ya que la ingestión accidental puede resultar letal. Por su porcentaje tan alto de mercurio puede contaminar 600,000 litros de agua Baterías de Zinc-Aire Construcción interna El diseño y principio de estas pilas es relativamente simple, pero su construcción no lo es, ya que el electrodo de aire debe ser extremadamente delgado. Se han hecho muchos estudios y grandes avances se han hecho en el aire del sellado del aire y la optimización de este tipo de pilas. (19) Se le distingue por tener gran variedad de agujeros diminutos en la superficie Ventajas y Desventajas Entre sus principales ventajas podemos citar: Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. (19) 28

30 Con respecto a las baterías de Plomo ácido las baterías de Zinc-Aire presentan varias ventajas, entre las principales se encuentran: Alta energía específica, menor peso y recarga eléctrica. (9) Figura 2.10 Acumulador de aire-cinc (9) Como desventaja tenemos Contienen más del 1 % de mercurio, por lo que presentan graves problemas al desecharlas. (19) Baterías de Niquel/Hidruro Metálico (NiMH) Construcción interna Las baterías de Níquel metal hídrido (NiMH), usan Hidrógeno en su proceso de producción de energía. (10) La configuración habitual es con tres electrodos, utilizando un contra electrodo de níquel (Ni) de alta área, un electrodo de referencia de oxido de mercurio/mercurio (HgO/Hg), e hidróxido de potasio (KOH) como electrolito 29

31 Las aleaciones actualmente en uso comercial o en desarrollo a escala laboratorio pertenecen a dos grupos. Las llamadas AB5 basadas en aleación níquel lantano (LaNi5) con cobalto (Co), aluminio (Al), estaño (Sn) y manganeso (Mn) como sustituyentes del níquel (Ni). Son las que más penetración han tenido en el mercado. La capacidad teórica de estas aleaciones es menor a 300 mah/g, pero su durabilidad y resistencia al ciclado es superior a los demás sistemas conocidos. (14) Ventajas y desventajas: Ventajas La inusual tecnología de las NiMH permite tener una alta densidad de almacenamiento de energía. Típicamente, consigue almacenar alrededor de 30% más energía que una NiCd de idéntico tamaño. (13) Figura 2.11 Comparación Voltaje y capacidad de batería del mismo tamaño en INCD y NMH (13) 30

32 Debido que el cadmio fue sustituido por hidruro metálico, este resulta ser mucho más amigable al medio ambiente; ya que el cadmio es altamente toxico. (13) Debido a su tecnología y su configuración es menos propensa a tener memoria que la Ni-Cd. (10) Desventajas Tienen una vida útil considerablemente baja, de aproximadamente 400 a 700 ciclos de carga y descarga. El rendimiento de la batería, esta relacionado directamente con la profundidad de los ciclos de carga que el usuario le dé. A menor profundidad (descarga completa) mayor la vida útil. Muchas de estas baterías son hechas con metales como el Titanio, el Zirconio, el Vanadio, el Níquel y el Cromo. Este detalle torna las baterías NiMH mucho más caras que las INCD. (10) La Ni-MH genera mucho más calor mientras se carga y requiere más atención si no tiene un sensor de temperatura. (Casi todas las Ni-MH son equipadas con un sensor interno de temperatura para asistir mientras la batería se carga) La batería Ni-MH no acepta una carga tan rápida como la Ni-CD, el tiempo de carga es casi el doble de la Ni-CD. La carga de la Ni-MH debe ser controlada mas cuidadosamente que la Ni-CD. (20) La corriente recomendada para descargar la Ni-MH es mucho menos que la de Ni- CD. Para aplicaciones que necesiten alto rendimiento, como los teléfonos celulares 31

33 digitales GSM o transmisores portátiles, la batería mas corriente, Ni-CD es su mayor alternativa. (20) Desempeño en altas temperaturas Las baterías NiMh (Níquel Metal Hydride) son capaces de operar en descarga con temperaturas desde 20 ºC hasta 50 ºC y en carga desde 0 ºC hasta 45 ºC. (13) Baterías de Níquel Cadmio, Ni-Cd Construcción interna En estas baterías, el polo positivo y el polo negativo se encuentran en el mismo recipiente, el polo positivo es cubierto con hidróxido de Níquel (electrodo de hidróxido de níquel) y el polo negativo es cubierto de material sensible al Cadmio (electrodo de hidróxido de cadmio). (10) Son ambos aislados por una lámina porosa. El electrolito es hidróxido de potasio. (3) Y la reacción química es: Cd + 2Ni OH + 2H2O <==> Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 Carga Descarga 32

34 Figura 2.12 Vista de una pila miniatura de níquel-cadmio (6) Ventajas y desventajas Las baterías de NiCd tienen características eléctricas interesantes: Al tratarse de una batería secundaria la batería de Niquel-Cadmio puede recargarse. (3) Son mucho más robustas en construcción y por lo tanto son menos propensas en comparación a otras tecnologías de baterías a perder los electrolitos. (3) Presenta un buen rendimiento; prácticamente, toda la energía suministrada hasta la plena carga se recupera en la descarga. (10) Baja resistencia de salida, lo que permite una mayor corriente máxima de suministro. (10) Tienen una resistencia interna extremadamente baja ; (3) lo que es una ventaja debido a que permite asociar varios elementos en serie sin presentar una alta impedancia. 33

35 Mantienen la tensión prácticamente constante durante casi el 90% del ciclo de descarga. (3) Lo que le resulta muy útil para elementos sensibles a variación de voltaje de fuente. Es común su fallo dando tensión nula, pero no circuito abierto, por lo que en caso de este fallo el paquete de baterías seguirá alimentando su carga, pero con un elemento menos. (10) Algunas desventajas de este tipo de baterías son: Su tensión es 1,2V frente a 1,5V de otras tecnologías de baterías. Esto supone un 20% menos de tensión. (3) Si se exceden los tiempos de carga recomendados, la batería no puede almacenar la energía eléctrica, convirtiéndose toda ella en calor con el consiguiente aumento de la temperatura interna, lo que puede ocasionar daños en la batería. (3) El cadmio es un metal tóxico, y el electrolito utilizado en esta batería es corrosivo; por lo que presentan una serie de desventajas a la hora del desecho y a la manipulación en casos de que la batería se encuentre deteriorada. (4) Debido a su bajísima impedancia interna no se pueden cargar a tensión constante ya que se generarían corrientes muy elevadas que producen el calentamiento de la batería, lo cual podría causar una sobre carga. Estas baterías presentan un fenómeno conocido popularmente como memoria (10), en donde debido a recargue de la batería cuando esta no estaba completamente 34

36 descargada; causa que para futuros usos la batería solo pueda descargarse hasta ese punto y no a su máxima capacidad nominal. Este fenómeno ocurre debido a la formación de cristales en el interior de ella que al someterse a corriente a la hora de cargarse se hacen mas grandes y reducen la cantidad de material químico que puede reaccionar para generar la energía eléctrica. El voltaje de la batería de Ni-Cd tiende a caer abruptamente, quedando descargadas de un momento para otro después de un período considerable de utilización. Figura 2.13 Gráfica de Descarga (10) Esta gráfica sirve para ilustrar dos características recientemente mencionadas: claramente notamos que la mayoría de tiempo de descarga de la batería ésta se mantiene a un voltaje bastante constante alrededor de 1.2V; también ilustra la abrupta caída de tensión cuando está a punto de descargarse. 35

37 Capacidad en función de temperatura y en influencia de la corriente de descarga La capacidad real de una batería Ni-Cd sólo es la nominal si la descarga se realiza a 20ºC y a la intensidad nominal que es el resultado de dividir por 10 la capacidad nominal. La capacidad efectiva aumenta con la temperatura y disminuye con la intensidad de la corriente de descarga. Influencia de la temperatura Según el tipo y fabricante las baterías de Ni-Cd pueden descargarse en un margen comprendido entre -40 / -20ºC hasta 45º/ 60ºC. Influencia de la corriente de descarga Si la intensidad es inferior a la nominal, apenas hay influencia en la capacidad. A intensidades de descarga superiores a la nominal, la capacidad disminuye. Tabla 2.1 Datos comparativos de corriente de descarga vs capacidad disponible (5) 36

38 Otro efecto de una intensidad de descarga superior a la nominal es la disminución del voltaje de salida de la batería en 0,2/0,3 Volts esto ocurre cuando la descarga es mayor a 20 veces la corriente nominal Baterías de Plomo Ácido Este tipo de baterías es único en cuanto que utiliza el plomo, material relativamente barato, tanto para la placa positiva como para la negativa. El material activo de la placa positiva es bióxido de plomo. El de la placa negativa es plomo puro esponjoso; ambas se sumergen en una solución de ácido sulfúrico en agua destilada. (21) Figura 2.14 Acumulador de plomo-ácido (6) 37

39 Tanto el plomo como el bióxido de plomo reaccionan con el ácido sulfúrico y forman sulfato de plomo y agua. Se liberan iones de hidrógeno positivo y iones de sulfato negativos. El sulfato de plomo resulta prácticamente insoluble en el electrolito, y forma un depósito blanco sobre las placas. (6) PbO H 2 SO e - -> 2 H 2 O + PbSO 4 + SO 4 2- ( ) Ciclo de carga y descarga de la batería plomo-ácido Pb + SO > PbSO e - ( ) Cuando el acumulador está totalmente cargado, las placas negativas (electrodos) son de plomo y las positivas de dióxido de plomo (PbO2). Si conectamos un conductor entre el terminal positivo y el negativo, circula corriente y la pila comienza a descargarse. Durante la descarga disminuye el contenido de ácido del electrolito y se deposita sulfato de plomo (PbSO 4 ) sobre ambas placas, positiva y negativa. Aumenta por lo tanto la cantidad de agua. Este proceso continúa hasta que ambos electrodos contienen un máximo de sulfato de plomo y la densidad del electrolito es muy baja. (6) Al llegar a ese punto, dado que ambos electrodos no son diferentes, la fem entre ellos es mínima. El acumulador puede ser recargado invirtiendo la dirección de la corriente de descarga. Durante el proceso de carga la placa negativa retorna al plomo y la positiva al peróxido. El sulfato retorna al electrolito y aumenta la densidad de éste. Durante la carga, se desprende hidrógeno y oxígeno. (6) 38

40 Figura 2.15 Ciclo de carga y descarga (6) La tecnología del plomo ácido puede variar según las diferentes necesidades existentes. 2Las baterías se clasifican en grupos según el uso que estas tengan y por su diseño (21 ). Las diferencias principales entre estos grupos se dan por la estructura y diseño de los electrodos (ó placas), el material activo y el electrolito. Los tipos más comunes de baterías de plomo son: - Baterías de tracción: para carretillas elevadoras, sillas de ruedas eléctricas y automóviles eléctricos. Las baterías de tracción están sujetas a una constante y relativamente pequeña descarga, durante largos periodos de tiempo, lo que supone un alto grado de descarga. Hay que procurar recargarlas, preferiblemente de 8 a 16 horas cada día antes de que se vuelvan a 39

41 descargar. Las baterías de tracción tienen electrodos muy gruesos con rejillas pesadas y un exceso de material activo. (21) - Baterías estacionarias: para fuentes de alimentación de emergencia y fuentes de alimentación ininterrumpida para usos de informática (UPS). Las baterías estacionarias están constantemente siendo cargadas y se debe tener cuidado de evitar que se sequen. El electrolito y el material de la rejilla del electrodo están diseñados de forma que se minimice la corrosión2. (21) - Baterías de arranque: para arrancar automóviles y otros vehículos de motor diesel y gasolina. Tienen que ser capaces de descargar el máximo de corriente posible en un corto espacio de tiempo manteniendo un alto voltaje. Tienen que ser capaces de aguantar muchas descargas incluso con cambios fuertes de temperatura. El peso, el diseño y la forma son también características determinantes. (21) Para poder cumplir su tarea principal que es arrancar un motor, se necesita mucha energía en un periodo corto de tiempo. Las baterías de arranque tienen generalmente una baja resistencia interna. Esto puede lograrse con una gran área de superficie de electrodo, un pequeño espacio entre placas y unas conexiones "heavy-duty" (resistentes a duros servicios) entre celdas. El voltaje nominal de una célula de plomo es aproximadamente de dos voltios, y una batería de automóvil generalmente consiste en seis células conectadas en serie, de modo que se obtienen doce voltios en las terminales de la batería. 40

42 Comprobación de baterías de plomo ácido (22) Un método de diagnóstico para baterías eléctricas de plomo-ácido puede ser: Comprobación visual exterior de las conexiones, cargador, etc. Comprobación de fugas al exterior de electrolito. Comprobación del nivel del electrolito. Jamás debe dejar al aire parte de las placas. Comprobación de la densidad del electrolito. Debe comprobarse tanto el valor de cada celda, como que los valores entre celdas no sean dispares. Comprobación de partículas de suciedad u otras en el electrolito. Efectuar una pequeña prueba de descarga y voltaje Mantenimiento de baterías plomo ácido (22) Detallamos unas normas básicas, para que sean útiles a la mayoría de las instalaciones: Mantener el lugar donde se coloquen las baterías entre 15 y 25 grados. El frío ralentiza las operaciones tanto de carga como de descarga. El calor por su parte, aumenta la evaporación del agua del electrolito, y promueve la oxidación de las placas positivas. Siempre que sea posible, fijar bien las baterías, evitando su movimiento. Mantener los terminales de conexión, limpios, apretados ( no en exceso ) y seca la carcasa de la batería. 41

43 Mantener el nivel del electrolito adecuado, añadiendo agua destilada en caso de necesidad, evitando tanto dejar las placas al aire como el llenado excesivo que provoque el desbordamiento del electrolito. Evitar la descarga completa de las baterías. Calcular adecuadamente las baterías que se necesitan en la instalación, para evitar darles un uso excesivo que límite su vida útil. Comprobar el funcionamiento del Cargador de la Batería; las cargas excesivas o insuficientes pueden disminuir su vida útil. Evitar siempre que se pueda las CARGAS RAPIDAS DE LAS BATERIAS, las hacen sufrir mucho. Comprobar que no hay diferencias de carga entre las distintas celdas de la batería, y si fuera así, efectúe una carga de nivelación. 42

44 CAPÍTULO 3: Baterías en Costa Rica 3.1 Partidas Arancelarias Con el fin de comprender las estadísticas de importación de baterías en Costa Rica, primero se debe de hacer énfasis a la forma en que los datos han sido clasificados. Todos los países disponen de un método de clasificación de los productos y materiales de importación con el propósito de estandarizar los aranceles o impuestos. Costa Rica para este propósito ha adoptado en conjunto con el resto de Centro América el Sistema Arancelario Centroamericano o SAC con el fin de responder a las necesidades de la reactivación y reestructuración del proceso de integración económica centroamericana, así como el de su desarrollo económico y social (33). Este sistema fue realizado basado en el Sistema Armonizado de Designación y Codificación de Mercancías; el cual clasifica los productos mediante códigos de 6 dígitos que pertenecen a 97 capítulos arancelarios, a su vez articulados en 21 secciones. Los capítulos se subdividen en partidas arancelarias las cuales a su vez se subdividen en subpartidas. Estos códigos llamados fracciones arancelarias, se conforman de la siguiente manera: los dos primeros dígitos corresponden a los capítulos arancelarios, los siguientes dos dígitos constan de la partida arancelaria y los dos últimos dígitos pertenecen a las subpartidas. 43

45 La clasificación, no obstante, puede llevarse a un desglose de hasta 10 dígitos, los 4 últimos son de carácter nacional. En el caso de Costa Rica, la Dirección General de Aduanas, adscrita al Ministerio de Hacienda, se encarga de definir esas subdivisiones. (34) La nomenclatura constituye una estructura legal y lógica que garantiza uniformidad en su aplicación en cualquier parte del mundo. Así se garantiza que un producto será clasificado siempre bajo el mismo código independientemente del país en el que se lleve a cabo la transacción. Esto permite un mayor entendimiento y un mayor nivel de transparencia en la transacción; además, facilita la generación de estadísticas comparables entre los países. En el caso específico de baterías las partidas arancelarias ligadas a este tema se encuentran bajo el Capítulo 85 Máquinas, aparatos y material eléctrico y sus partes; aparatos de grabación o reproducción de sonido, aparatos de grabación o reproducción de imágenes y sonido en televisión y las partes y accesorios de estos aparatos. (1) (VER ANEXO 1). En este capítulo las baterías se encuentran subdivididas en dos grupos: Pilas y Baterías de Pilas Eléctricas (85.06) y Acumuladores eléctricos, incluidos sus separadores, aunque sean cuadrados o rectangulares (85.07). Existe también una tercer partida: Desperdicios y desechos de pilas, baterías de pilas o acumuladores, eléctricos; pilas, baterías de pilas y acumuladores, eléctricos inservibles; partes eléctricas de maquinas o aparatos, no expresadas ni comprendidas en otras partes del capitulo 85 (85.48); la cual no se consideró a la hora de realizar el análisis de las importaciones de baterías a Costa Rica ya que son inservibles en cuanto a la 44

46 generación eléctrica y su valor solamente se encuentra como fuente de materias primas de uso desechado, reciclado u otro. Además de esta partida no se ha incluido en las cifras de importación, toda batería interna a cualquier aparato; componente eléctrico o electrónico; maquina eléctrica, electromecánica o electroquímica; vendido como tal; en donde la batería ya forma parte del producto final. 3.2 Importación y aranceles de baterías en Costa Rica Las tablas de los datos de importación junto con todas las demás tablas se encuentran en el apéndice. Esos datos de importación no incluyen todo equipo o componente que sea importado con una batería ya incluida o que forme parte de sus componentes. 45

47 3.2.1 Graficas para análisis de los datos de importación. Graficas y referenciada a la tabla y la tabla % 2% 5% 1% 1% 1% Otros (9) Pilas secas (1) Los demas acumuladores (14) Otros (13) 14% Las demas pilas (4) Pilas rectangulares (2) Otras (3) De propulsion (12) De niquel-cadmio 73% De Litio De aire-cinc De niquel-hierro Figura Porcentaje de importación por tipo de batería por peso. 3% 2% 2% 3% 1% 2% 1% Otros (9) Pilas secas (1) Los demas acumuladores (14) Otras (3) 11% Otros (13) Pilas rectangulares (2) 54% Las demas pilas (4) De niquel-cadmio 21% De Litio De niquel-hierro Figura Porcentaje de importación por tipo de batería por valor comercial. 46

48 Graficas y referenciadas a las tabla Figura Importación por país de proveniencia por tonelada $6,000,000 $5,000,000 $4,000,000 $3,000,000 $2,000,000 $1,000,000 $- Mexico E.E.U.U El Salvador S. Corea China Colombia Guatemala Japon Panama Taiwan Brasil Hong Kong Singapur Tailandia Alemania Varios paises Figura Importación por país de proveniencia por valor comercial en dólares. 47

49 10000 Toneladas Figura Importación por en los últimos 10 años por peso en toneladas. 48

50 CAPÍTULO 4: Normativa de baterías Con el avance de la tecnología se ha desarrollado nuevas formas de fabricación de baterías y nuevas tecnologías de baterías que tienen como uno de sus propósitos la disminución del impacto que estas tienen sobre el medio ambiente. Sin embargo aun se fabrica y esta en uso alrededor del mundo las baterías de tecnologías obsoletas; que siguen siendo populares debido a distintos factores como por ejemplo su bajo costo en comparación a otras tecnologías. Existe un movimiento de varios países u organismos de modificar sus leyes con el fin de regular, reducir o eliminar la cantidad de agentes contaminantes como metales pesados que el país adquiere debido al uso de baterías. Estas regulaciones se han impuesto en forma de estándares tanto para la fabricación nacional como para las importaciones de baterías dando como consecuencia la eliminación para uso nacional de algunos tipos específicos de baterías y en otros casos exigiendo unas medidas de fabricación más rigurosas. 4.1 Consecuencias del uso de metales pesados Estas medidas son de grave importancia ya que las consecuencias de no implementarlas pueden presentar severos efectos negativos que afectan tanto a los usuarios, al medio ambiente y en la salud de la población en general. El problema radica especialmente en el uso de metales pesados en la fabricación de las baterías; específicamente en el uso del mercurio, el cadmio y el plomo. 49

51 Estas tres sustancias, tan comunes en la fabricación de muchas baterías, por ser tan comunes en la naturaleza y por los diversos atributos que tienen, son también extremadamente tóxicas y dañinas a cualquier ambiente al que son expuestas. El usuario, puede llegar a exponerse a estas sustancias a través de derrames, corrosión o mal uso. En el caso del mercurio, este puede causar debilidad, anorexia, perdida de peso, insomnio, diarrea, perdida de dientes, pérdida de pelo, pérdida de memoria, gingivitis, irritabilidad, temblores musculares suaves y sacudidas repentinas (16) en exposiciones leves. En cuanto a exposición a altas dosis por contacto, dermatitis y ceguera; y en forma oral, colapso del aparato digestivo mortal en horas, insuficiencia renal, efectos mutagénicos, delirio y psicosis maniaco depresiva. (26) En cuanto al cadmio produce lesiones en el hígado, testículos, malformaciones congénitas, puede producir abortos en etapas tempranas del embarazo (16); además es un cancerígeno comprobado (26). A menores dosis puede resultar en alta presión sanguínea y enfermedades del corazón Y por último el plomo como síntomas precoses presenta fatiga, dolores de cabeza, dolores óseos, dolores abdominales, irritabilidad, trastornos del sueño, dolores musculares y síntomas abdominales vagos. Ante la exposición crónica causa esclerosis vascular, esterilidad, abortos y mortalidad neonatal. Entre los síntomas avanzados el plomo afecta el sistema nervioso, produce edema cerebral severo, aumento de la presión del fluido espinal cerebral, enfermedad ósea, temblores, convulsiones, cuadros psiquiátricos graves, parálisis nerviosa, cáncer y muerte. (16, 26) 50