RESTABLECIMIENTO DE LA CAPACIDAD DE UN BANCO DE BATERÍAS DE 125 DC DE 14 AÑOS DE SERICIO Oscar Alberto Zapata González Especialista Gestión Mantenimiento Dirección Gestión Mantenimiento ISA-Colombia OAZAPATA@ISA.COM.CO CATEGORÍA: Equipos de alta tensión y subestaciones. RESUMEN Se comparte acá el aprendizaje de procedimiento aplicado de manera exitosa en ISA Colombia a un banco de baterías estacionarias abiertas de 125 DC de 14 años de servicio, para recuperar su capacidad y poder continuar con su utilización segura dentro del Sistema Interconectado Nacional (SIN). Se obtienen múltiples beneficios que hacen viable su desarrollo y repetición en las empresas del Grupo ISA como son un bajo costo del procedimiento, el aplazamiento de la compra de un nuevo banco, menor impacto ocasionado en el medio ambiente ya que para la fabricación de un kilogramo de baterías se producen 3 kilogramos de CO2 (la extensión de la vida útil de este banco representa 8.1 toneladas menos de CO2) y un alto contenido de responsabilidad social empresarial que es un tema de mucha actualidad. En mantenimientos realizados al banco de baterías abiertas de 125 DC en la S/E Ibagué, se observó que su capacidad se estaba disminuyendo y por norma se debía reemplazar ya que estaba por debajo del 80%, la curva de rendimiento era decreciente y pronunciada, lo que no representaba confiabilidad para operar dentro del SIN. El reemplazo del banco de baterías, implica que a las celdas viejas y su rack se les debe dar una disposición final, de acuerdo a un procedimiento definido por ISA y regulado por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, que es un proceso complicado y riesgoso ambientalmente ya que se manejan elementos que son altamente contaminantes, tóxicos y su inadecuada manipulación genera cáncer de pulmón. En lugar del reemplazo se decidió hacer un piloto del proceso de recuperación de baterías con la empresa E3 Soluciones, para acometer la regeneración y el restablecimiento de las celdas, haciendo uso de aditivos y procesos de carga especiales que permiten mantener libre de sulfato las placas negativas, descomponiendo los cristales de sulfato de plomo formados durante el tiempo de servicio e impidiendo su formación nuevamente. Durante el reacondicionamiento, se busca que el residuo de sulfato se descomponga lenta y progresivamente en el electrolito original, aumentando la eficiencia de la batería, evitando la generación de residuos físicos y químicos no degradables con un ahorro de dinero, tiempo y un alto contenido de responsabilidad social empresarial. La implementación del piloto se inició con la realización de un diagnóstico a partir del cual se verificó el buen estado físico de las celdas. Posteriormente se realizó medición de la resistencia interna de las placas y prueba de capacidad, con lo cual inicialmente se obtuvo un resultado del 55% de su capacidad nominal. Al final del proceso de recuperación, la capacidad obtenida fue de 87% de su capacidad nominal, lo que implica una mejora del 32%. Se espera que la nueva capacidad obtenida deje el banco de baterías confiable y que no continúe en la curva de decrecimiento de la capacidad y que se mantenga en servicio por diez años más antes de que el banco inicie nuevamente su curva de decrecimiento de capacidad en la que se encontraba. 1
PALABRAS CLAES. Banco de baterías estacionarias, Capacidad (Amperios/hora), Curva de rendimiento, Sulfatación, Confiabilidad, Proceso de disposición final, Regeneración - Restablecimiento, Responsabilidad Social Empresarial. 1. INTRODUCCIÓN 1.1 CÓMO Y PORQUÉ REGENERAR UNA BATERÍA DE PLOMO-ACIDO ESTACIONARIA: Las principales causas que dañan una batería dejándola inservible y obligando su reemplazo son 3, causadas por diversos factores: La corrosión, La erosión del material activo y la sulfatación. Las dos primeras causas se pueden mitigar con un correcto mantenimiento y supervisión, pero una vez que han ocurrido son procesos irreversibles para las baterías. La sulfatación es parte del proceso químico de óxido reducción por la cual la batería acumula y entrega energía. En la medida que la batería se somete a ciclos de carga y descarga existe un pequeño porcentaje de moléculas que durante el proceso de oxidación (pérdida de electrones) no recuperan durante la carga los electrones perdidos (reducción) acumulando sulfato de plomo en las placas, este sulfato de plomo que no se devuelve al electrolito en la fase de carga va acumulándose en las placas reduciendo la superficie de estas en contacto con el electrolito y reduciendo por tanto la eficiencia de la batería. Con el proceso aplicado a las baterías tanto en lo pertinente a la adición de productos químicos como los sistemas de carga de alta frecuencia con curvas especiales de desulfatación, se revierte el proceso de sulfatación alargando la vida de las baterías y mejorando su eficiencia. 1.2 SULFATACIÓN DE LAS PLACAS NEGATIAS DE UNA BATERÍA ESTACIONARIA La reacción de oxidación que se produce al interior de la batería, cuyo resultado es la generación de Sulfato de Plomo y la pérdida de electrones es un proceso electroquímico reversible mediante la introducción de electrones que generan un proceso inverso es decir un nuevo proceso de reducción que entrega los electrones perdidos durante la oxidación permitiendo separar la molécula de sulfato de plomo en sus elementos básicos Pb y SO4 para que el ciclo pueda iniciar de nuevo. 2 Con el paso del tiempo, los procesos de carga constante favorecen la formación de cristales de sulfato de plomo en las placas negativas, esta molécula de sulfato de plomo atraerá nuevas moléculas que con el paso del tiempo se cristalizarán y quedarán permanentemente sujetas a la placa negativa generando una nube de electrones que impiden que el proceso de carga devuelva los electrones necesarios para que se genere la reducción-oxidación del sulfato de plomo y los compuestos regresen a su estado original. Esta formación molecular de sulfato de plomo se incrementa de forma exponencial con el paso del tiempo atrayendo moléculas de sulfuro del electrolito generando una disminución de su densidad y por lo tanto una menor concentración de ácido sulfúrico para reaccionar con el plomo y generar energía. Estas moléculas de sulfato de plomo harán que la placa negativa quede cubierta y se impida el flujo de electrones, ocasionando que la batería se descargue más rápidamente lo que se traduce en una pérdida de su capacidad y de su autonomía. A nivel estructural normalmente la batería se encuentra en perfectas condiciones, las placas de plomo y oxido de plomo se encuentran químicamente en condiciones para continuar por varios años más reaccionando con el electrolito y entregando energía, y lo que se requiere es retirar y descomponer el sulfato de plomo a su estado original y en lo posible evitar que este se vuelva a producir. 1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE RESTABLECIMIENTO DE UNA BATERÍA El proceso de restablecimiento de un banco de baterías consta de cinco pasos: 1. Diagnóstico 2. Tratamiento Químico. 3. Igualación de todas las celdas. 4. Tratamiento Eléctrico. 5. Tratamiento Electrónico.
1.3.1 Diagnóstico JORNADAS TÉCNICAS ISA - 2012 El diagnóstico inicia con una inspección visual de cada celda con el fin de identificar fisuras en los vasos, tapas de los vasos, conectores interceldas, y demás anomalías superficiales que se generan por la sulfatación como lo son daño de empaques en los bornes, levantamiento de bornes, deformación del vaso y posibles fisuras internas en los conectores interplacas. Luego se procede con la medición de la resistencia interna de las placas y del voltaje de cada una de las celdas cuando se encuentran totalmente cargadas, se realiza una medición del voltaje de cada una de las celdas durante el proceso cargue con el fin de detectar de manera temprana aquellas celdas que presentan resistencia al proceso de carga o que tienen pequeños cortos producto del material activo depositado en el fondo del vaso. El proceso continúa con la medición de la capacidad por el método de descarga, monitoreando el voltaje de cada una de las celdas con el fin de identificar aquellas celdas que han perdido capacidad y llegaran al voltaje límite de descarga antes de finalizar el tiempo de la prueba. 1.3.2 Proceso químico Este proceso consiste en la adición de un químico microencapsulado llamado FAAB cuando la batería se encuentra descargada, este producto químico llega al electrolito pero que en ningún momento reacciona con este o con los componentes de las placas de la batería. El FAAB iniciará el proceso de desulfatación generando una reacción de éste con el sulfato de plomo, rompiendo los enlaces que unen las moléculas de sulfuro y plomo y devolviendo el sulfuro al electrolito, este proceso continúa durante el proceso de carga y su formulación microencapsulada permite que este permanezca durante un periodo de tiempo en el electrolito cumpliendo su función de desulfatar las placas negativas de las baterías de plomo ácido. El FAAB se adiciona en una proporción acorde a la curva de descarga de cada una de las celdas, según su amperaje y según los años de fabricación de la batería. Para los casos donde se encuentran celdas más sulfatadas o en corto, se procede a adicionar el químico LMP que permite disolver con mayor facilidad la sulfatación y/o el lodo acumulado en el 3 fondo ionizando el óxido de plomo para que este regrese a la placa positiva. El LMP es un líquido orgánico, similar al FAAB, pero con un mayor poder de debilitamiento y remoción de la capa de sulfato cristalino, facilitando la labor de los equipos desulfatadores. 1.3.3 Proceso de carga Los equipos empleados durante el proceso de carga utilizan algoritmos especiales de carga, los cuales están compuestos por perfiles de cargadesulfatación, estas curvas algorítmicas de carga utilizadas en cargadores de alta frecuencia permiten disminuir el amperaje de carga a medida que se incrementa el voltaje acompañado de micropulsaciones, logrando que el proceso de reducción-oxidación se realice casi por completo, devolviendo al electrolito el sulfuro y por lo tanto incrementando su densidad. 1.3.3 Proceso de igualación de celdas El proceso de igualación busca llevar el valor de voltaje de cada una de las celdas al mismo nivel de voltaje, además de buscar que cada una de las celdas reciba la misma carga y de esta forma puedan entregar toda su capacidad durante la descarga. 1.3.3 Proceso electrónico El proceso electrónico consiste en la instalación de unos pequeños dispositivos llamados Barriers cada 6 celdas. Estos dispositivos emiten señales de alta frecuencia que entran en resonancia con los enlaces moleculares que forman el sulfato de plomo. Al permanecer instalados en la batería como mecanismo de prevención, evitan la formación de cristales de sulfato de plomo en el futuro. 2. PROCESO APLICADO EN EL RESTABLECIMIENTO DE LA CAPACIDAD DE UN BANCO DE BATERÍAS DE ISA El proceso de restablecimiento, comprende la adecuación tanto interna (proceso eléctrico, químico y electrónico) y externa de la batería el cual comprende (limpieza profunda de bornes y conectores intercelda) como también, el aumento de la capacidad. La regeneración es una tecnología ampliamente
difundida en Europa, Asia y Estados Unidos, sus resultados han sido ampliamente comprobados y su objetivo es extender la vida útil de los bancos de baterías en servicio y mantener la eficiencia de los sistemas de servicios auxiliares que se encuentran operativos en la actualidad. El proceso de restablecimiento del banco de baterías busca obtener un mínimo de 90% de capacidad respecto a la nominal y 10 años de operación antes de ser cambiado por uno nuevo. La Tabla No. 1 muestra las curvas de descarga de baterías abiertas Plomo - Acido tipo OPzS en donde se encuentra las baterías a restablecer EAN70 7OPzS 490 que indican que para un voltaje final de descarga de 1.85 DC y una descarga de 5 horas, se debe mantener una corriente constante de 89 amperios. impedancias y voltajes). En las Fotos Nos. 1, 2 y 3 se ilustra el banco de baterías al que se le aplicó el proceso de restablecimiento y su diagnóstico inicial. Foto No. 1. Sala de baterías de la S/E Ibagué. Foto No. 2. Banco de baterías No. 2 de 125 DC de la S/E Ibagué. Fuente: Catalogo de baterías Fulgor Tabla No. 1. Curvas de descarga de baterías abiertas Plomo Acido tipo OPzS marca Fulgor. Para lograr recuperar la capacidad del banco de baterías a un valor igual o superior al 90% de su capacidad nominal, se gestionó el Contrato No. 7100008872 con la empresa E3 Soluciones. Los trabajos para el restablecimiento del banco de baterías estacionarias, abiertas, de 125 DC, No. 2 de la Subestación Ibagué fueron los siguientes: Se realizó revisión física y mediciones del banco de baterías a tratar (temperaturas, densidades, 4 Foto No. 3. Inspección general al banco de baterías.
Posteriormente se realizó la descarga del banco a una rata de 89 amperios (se debió suspender la prueba a las 4 horas ya que algunas celdas llegaron a su voltaje final de descarga), ver Foto No. 4. Los resultados de la prueba fueron utilizados como referenciamiento de los resultados que se obtuvieron posteriormente y para definir la intensidad del proceso a aplicar para la recuperación de las baterías. Se adicionó a cada una de las celdas 180 mililitros de FAAB posterior a la descarga (Foto No. 5). Se aplicó al banco carga en igualación (aproximadamente 3.5 horas) con control del rectificador/cargador convencional como se ilustra en la Foto No. 6. Se instalaron los barriers en grupos de 6 celdas (ver Fotos No.s 7 y 8), se separó el banco en tres partes (2 grupos de 24 celdas y un grupo de 12 celdas) y se colocó a cada grupo un cargador desulfatador de alta frecuencia programado con una curva IUIUpy (ver Fotos No.s 9 y 10) y así se dejaron por 15 horas. Foto No. 6. Control del rectificador/cargador de baterías convencional. Foto No. 4. Descarga del banco de baterías. Foto No. 7. Instalación de barriers. Foto No. 5. Adición a cada celda de FAAB. 5 Foto No. 8. Instalación de barriers en grupos de 6 celdas.
de 5 horas. Se realizó la prueba completa de 5 horas a 89 amperios, en donde ninguna de las celdas paso la prueba a un voltaje de corte de 1.85 DC. Se volvió a colocar el cargador original para cargar el banco de baterías. Los resultados de la prueba de capacidad indicaron 73.7% de su capacidad nominal, lo que implica un mejoramiento parcial en la capacidad del banco de 18.7%. Se puso en servicio del banco de baterías. Foto No. 9. Configuración de tres grupos de celdas. Foto No. 10. Proceso de carga del banco con los cargadores desulfatadores especiales de alta frecuencia programados con curvas IUIUp. Luego de finalizado el proceso de desulfatación inicial se armó el banco de 125 DC, se realizó carga en igualación por aproximadamente 3 horas y se inició descarga de prueba de 1 hora. Se volvió a partir el banco en tres grupos y se colocaron de nuevo los cargadores desulfatadores de alta frecuencia y así se dejaron por 13 horas. Se continuó con la desulfatación, se adicionó el producto LMP a las celdas con mayores dificultades (No. 22, 48, 58, 59 y 60) como se ilustra en la Foto No. 11 y se apartaron las celdas más críticas números 22 y 48 y se les aplicaron los equipos de desulfatación (un equipo por cada celda) por un lapso de 11 horas. Posteriormente se armó nuevamente el banco, se colocó el cargador original en flotación y se midieron valores para iniciar proceso de descarga 6 Foto No. 11. Adición a las celdas No. 22, 48, 58, 59 y 60 del producto LMP. Con el ánimo de continuar el restablecimiento se traslada el banco de baterías a la sede de la empresa E3 Soluciones, en donde se procedió con la adición de LMP a las celdas con menor capacidad y que mostraron mejoras menos significativas en el proceso anterior: Celdas Nos.: 22, 27, 48, 58, 59 y 60 (que son las celdas que están determinando la capacidad del banco). Se realiza el trabajo particular con estas seis celdas con procesos de carga y descarga (se cambia la prueba a 10 horas de descarga con volteje de corte de 1.7 DC y 53 amperios), obteniendo hasta la fecha una capacidad igual al 87% como se indica en la Tabla No. 3. 1.5 Tablas de resultados En las Tablas 2 y 3 se muestran los resultados de algunas de las descargas realizadas, se comparan los resultados obtenidos antes y después de aplicar el procedimiento de restablecimiento. La Tabla No. 3 muestra la capacidad lograda hasta el momento por las celdas más críticas y en la cual se ilustra el 87% de la capacidad nominal para las celdas 22 y 48 lo que implica una mejora del 32% en la capacidad inicial.
3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Con el procedimiento aplicado al banco de baterías se obtuvo un mejoramiento de la capacidad del banco en su conjunto de 32% ya que en la prueba realizada en el diagnóstico se obtuvo una capacidad de 55% y al final del procedimiento la capacidad medida fue del 87% fijado por la celda No. 22. Se estima que a medida que el banco de baterías intervenido va teniendo ciclos de carga y descarga va mejorando más su capacidad debido a la activación del proceso y los productos aplicados. Se espera que la nueva capacidad obtenida permita al banco de baterías continuar en servicio con la particularidad de no estar en la línea de decrecimiento de su capacidad que tenía antes del procedimiento lo cual lo inutilizaría rápidamente. Se estima que la nueva capacidad obtenida se mantendrá por mínimo diez años antes de que el banco vuelva a iniciar su curva de decrecimiento de su capacidad. Al mismo tiempo que crece el número de baterías utilizadas también crece el número de baterías desechadas. Incrementar su vida útil reduce el consumo de metales pesados que son altamente contaminantes. Los materiales auxiliares para la fabricación de baterías son residuos altamente tóxicos de segundo grado debido a la imposibilidad de llegar a su plena reutilización. Por todo ello, la regeneración de baterías supone una fuerte contribución a la mejora del medio ambiente y se hace aplicable en todas las empresas del Grupo ISA. La regeneración de este banco de baterías implica una disminución de 8.1 toneladas de CO2 que se dejaron de emitir a la atmosfera. Los proceso de regeneración de baterías buscan disolver los cristales de sulfato formado a través del tiempo por los proceso de Oxidación y reducción al interior de la celda. Los resultados obtenidos están en función del tiempo de desulfatación y de la vida útil restante del banco de baterías. Se sugiere realizar este proceso como mantenimientos preventivos periódicos cada dos años, de esta forma el proceso toma poco tiempo y mantiene la capacidad del banco de baterías, evitando mantenimientos correctivos que tardan más tiempo y el posible daño de celdas que ya no son recuperables. La regeneración de baterías estacionaria es rentable desde todo punto de vista ya que existe un importante ahorro en adquisición de nuevas baterías, reducción de la factura energética, ayuda al medio ambiente y la eliminación de los costos derivados de las incidencias técnicas y mantenimientos correctivos. 4. REFERENCIAS [1] Hoxie, E. A., Some Discharge Characteristics of Lead-Acid Batteries, AIEE Transactions (Applications and Industry), vol. 73, p. 17-2, 1954. [2] IEC 60896-11 Requerimientos generales y métodos de prueba para baterías estacionarias tipo abiertas. 32 páginas. [3] IEEE 450-2002 IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of ented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications (ANSI). 26 páginas. [4] IEEE Std 946-1992, IEEE Recommended Practice for the Design Generating Stations (ANSI). 28 páginas. HOJA DE IDA DEL AUTOR Oscar Alberto Zapata González Ingeniero Electrónico - Universidad de Antioquia.1989 Medellín, Antioquia, Colombia. Ingeniero Electricista - Universidad Nacional de Colombia Seccional Medellín.1994. Medellín, Antioquia, Colombia. Especialista en Gerencia de Proyectos Universidad EAFIT. 1999. Medellín, Antioquia, Colombia. Cargo actual: Especialista Gestión Mantenimiento. Dirección Gestión Mantenimiento. Grupo SPAT. ISA- Colombia. 7
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Fuente: Tabla elaborada durante el restablecimiento Tabla No. 2. Comparación de las curvas de descarga del banco de baterías con la prueba inicial indicando un restablecimiento parcial hasta el 73.7% 9
15 MINUTOS 1 HORA 2 HORAS 3 HORAS 4 HORAS 5 HORAS 6 HORAS NUMERO DE CELDA Temp C f 29-11-2011 f 22 19.2 2.2208 2.15 1.98 1.97 1.96 1.93 1.92 1.9 1.87 27 18.6 2.2211 2.16 1.98 1.98 1.96 1.94 1.92 1.9 1.88 48 19.2 2.2208 2.16 1.97 1.97 1.96 1.94 1.92 1.9 1.87 58 19.4 2.221 2.15 1.98 1.98 1.96 1.94 1.93 1.91 1.88 59 19.4 2.211 2.16 1.98 1.98 1.96 1.95 1.93 1.91 1.89 60 19.8 2.2214 2.16 1.98 1.98 1.96 1.94 1.93 1.91 1.88 CORRIENTE 53 53 53 53 53 53 53 NUMERO DE CELDA % 22 1.84 1.78 1.70 87.0% 27 1.86 1.82 1.72 48 1.84 1.78 1.70 87.0% 58 1.86 1.83 1.74 59 1.87 1.83 1.73 60 1.86 1.83 1.73 CORRIENTE 53 53 53 Fuente: Tabla elaborada durante el restablecimiento Tabla No. 3. Curva de descarga de las seis celdas más críticas del banco de baterías realizada en prueba de 10 horas con voltaje de corte de 1.7 DC y corriente de 53 amperios. 10