L'avenç tecnològic en bateries secundàries

Les bateries secundàries són actius cada vegada més atractius des d'un punt de vista tècnic, i també econòmic, ja que obren la porta a nous models de negoci que estan encara per explorar.

Solució modular basant-bateries de flux (RedFlow Energy Storage Solutions). Solució modular basant-bateries de flux (RedFlow Energy Storage Solutions). Font: Díaz-González F, Sumper A, Gomis-Bellmunt O (2016) Energy storage in Power Systems. John Wiley and Sons, pp. 314.

El ràpid avanç tecnològic de l'emmagatzematge electroquímic està transformant diversos àmbits com l'electrònica domèstica, el transport i les xarxes elèctriques. Les bateries secundàries són actius cada vegada més atractius des d'un punt de vista tècnic, i també econòmic, ja que obren la porta a nous models de negoci que estan encara per explorar.
Una bateria és un sistema d'emmagatzematge d'energia electroquímic en el qual l'energia s'emmagatzema en forma d'energia química. A través de reaccions d'oxidació i reducció en un mitjà que anomenarem cel·la electroquímica, aquesta energia química es converteix en energia elèctrica, la qual és intercanviada amb el sistema al qual la bateria està connectada. Les reaccions químiques es produeixen en els dos elèctrodes de la cel·la electroquímica, anomenats ànode i càtode. Aquestes reaccions químiques resulten en un potencial elèctric entre els elèctrodes, potencial que motiva el transport dels productes d'aquestes reaccions químiques entre ànode i càtode. En particular, els productes de les reaccions són partícules amb càrrega elèctrica no neutra (ions) i electrons lliures. Els electrons flueixen a través de la càrrega o font d'energia a la qual estiguem connectant la bateria, constituint un corrent elèctric, mentre que els ions flueixen a través de la pròpia cel·la electroquímica, en un medi anomenat electròlit.

Cel·la electroquímica

Els materials que conformen l'electròlit i els elèctrodes són de tal importància que donen nom a les tecnologies de bateries que es poden trobar al mercat actualment. Per exemple, una bateria de plom-àcid és tal que els seus elèctrodes estan formats per compostos sobre la base del plom, i aquests reaccionen amb el material de l'electròlit, el qual és una solució d'àcid sulfúric. Similarment, una bateria de níquel-cadmi és aquella en què un dels elèctrodes està format per un compost sobre la base del níquel, i l'altre sobre la base del cadmi.
Les bateries estan compostes per una disposició determinada de cel·les electroquímiques connectades entre si, d'acord amb els requeriments de tensió i corrent desitjats com a dispositiu final. A mesura que la cel·la es va descarregant, la tensió decreix fins a un valor mínim admissible. La capacitat d'emmagatzematge d'energia, expressada habitualment en amperes-hora, Ah, depèn de les condicions de descàrrega i queda limitada precisament per aquesta tensió mínima d'operació. L'estat de càrrega es defineix així com el percentatge d'energia a la cel·la respecte al valor en estat de càrrega màxima.
Per maximitzar la capacitat d'energia de la cel·la, és fonamental disposar d'una diferència de potencial elèctric màxim entre els elèctrodes de les cel·les electroquímiques. Per això, s'adopten materials d'ànode i càtode amb estats d'energia molt diferents quan reaccionen químicament. Amb la tecnologia actual, en estat de plena càrrega, en repòs i en buit, s'obté la tensió màxima o de circuit obert, la qual varia entre 1 i 4 volts en funció del tipus de cel·la.
Com més gran sigui la tensió de cel·la, i menor el pes dels components que participen en les reaccions químiques, més gran serà l'energia específica teòrica (en Wh / kg) de la cel·la. Després, i afegint el pes de l'encapsulat de la cel·la, borns metàl·lics, sistemes de protecció, i tot allò necessari per tenir una cel·la practicable, es pot calcular l'energia específica real (també en Wh / kg), que resulta en un valor molt menor que el seu equivalent teòric, amb la tecnologia actual.
Similarment, es defineix potència específica com la ràtio W / kg per a les cel·les electroquímiques. Aquest valor fa referència a la corrent màxima que pot proveir la cel·la en funció del pes de la mateixa, i és una prestació que varia en gran mesura amb la tecnologia utilitzada.
Atenent a aquests factors, i a d'altres com ara temperatura d'operació de cel·la, seguretat d'ús, ciclabilitat, modularitat, etc., la indústria ofereix, i avança contínuament, en el desenvolupament de tecnologies que obren la porta a l'ús de les bateries secundàries en un major nombre d'aplicacions. La Taula 1 compara quantitativament diverses característiques de diverses tecnologies de bateries secundàries comercialment disponibles. Com es pot observar, i en termes generals, les opcions més establertes al mercat s'agrupen en 4 grans famílies: bateries de plom-àcid, alcalines, de sals foses i de liti-ió.

De la comparativa general d'aquestes 4 famílies se'n deriven els següents punts clau:

- Les bateries de plom-àcid són les més madures d'entre les elegibles. Els gairebé 160 anys de desenvolupament en aquest tipus de bateries han permès disposar de sistemes a un cost reduït, robustos, de baix manteniment i fàcilment modulables. Tant és així que resulten com la primera opció en nombroses aplicacions industrials estacionàries (sistemes d'alimentació ininterrompuda, bases de telecomunicacions, accionaments elèctrics, etc.), com també per a la integració d'energies renovables en sistemes d'autoconsum, per exemple. Els inconvenients d'aquesta tecnologia recauen en una energia específica molt reduïda, així com la vida útil (expressada com ciclabilitat), a més d'una gran dependència de les prestacions amb la temperatura d'operació.

- Les bateries de níquel-cadmi són centenàries també, com les de plom-àcid. Les dues representen les opcions de menor cost entre les elegibles en el mercat. Aquestes bateries, que s'inclouen dins de les anomenades bateries alcalines, ofereixen uns règims de càrrega i descàrrega més grans que les de plom àcid, aconseguint fins i tot eventuals corrents de descàrrega 10 vegades majors al corrent de descàrrega nominal (indicat a la taula com a règim de descàrrega 10C). Un altre dels avantatges d'aquesta tecnologia és l'ampli rang admissible de temperatura d'operació, així com el baix manteniment. Entre els punts febles d'aquest tipus de bateries, destaca la molt baixa tensió de cel·la (1,3 V), així com la reduïda ciclabilitat. També destaca el fet que la autodescàrrega d'aquest tipus de bateries és molt acusada, podent arribar fins i tot a dissipar la totalitat de l'energia emmagatzemada en un mes, si no es compensen efectivament les pèrdues. Més encara, s'indica que a causa que el cadmi (i el plom) són materials cancerígens, la legislació vigent en matèria de reciclatge és més estricta amb aquests tipus de bateries (veure, per exemple, la legislació de la Comissió Europea de l'any 2012.

- En contraposició a les tecnologies més madures, de baix cost (i també de reduïdes prestacions), com són les bateries de plom-àcid i les de níquel-cadmi, al mercat podem trobar dues famílies de bateries més joves, i que ofereixen unes prestacions majors: les bateries de sals foses i les de liti ió. Aquestes bateries ofereixen, entre d'altres, majors tensions de cel·la (fins a 2,6 V per a certs tipus de bateries de sals foses i fins a 3,7 per algun tipus de bateries de liti ió). Les bateries de sals foses es caracteritzen per tenir una gran eficiència energètica (propera al 90%), així com una remarcable ciclabilitat i modularitat. Aquesta gran modularitat, a més de la quasi nul·la autodescàrrega, defineixen aquest tipus de bateries com candidates per a aplicacions estacionàries en què es requereix obtenir fins a desenes de megawatts de potència durant diverses hores en aplicacions estacionàries. De fet, és en aplicacions estacionàries on es proposa el seu ús, principalment. Aquesta decisió s'argumenta també per una característica fonamental i diferenciadora per a aquestes bateries: la temperatura d'operació ronda els 300ºC.

- Finalment, amb una fins i tot major eficiència energètica que les bateries de sals foses, les bateries liti-ió copen el primer lloc en investigació i desenvolupament tecnològic actualment en emmagatzematge d'energia, així com l'exploració de noves aplicacions. Elevada vida útil (fins a 10 anys), tensió de cel·la i modularitat són prestacions definitòries d'aquestes bateries. Però sens dubte, són la capacitat d'admetre elevats ràtios en corrents de càrrega i descàrrega, i l'alta energia específica (en Wh / kg), dues de les prestacions per les quals les bateries de liti-ió es proposen com a fonts d'energia per a aplicacions no estacionàries (per exemple, dispositius mòbils i vehicles elèctrics). Com a figura de mèrit, remarcar que l'energia específica real de bateries de liti-ió pot arribar al voltant dels 150 Wh / kg, d'acord amb els exemples reals que es reporten a la taula 1, i l'energia específica teòrica superaria fins i tot els 800 Wh / kg. Aquests números són molt més grans que per a les madures bateries de plom-àcid (24 Wh / kg energia específica real, i 170 Wh / kg l'equivalent teòric).
Així, el gran potencial de millora de les bateries de liti-ió justificaria el fet que, per exemple, aproximadament la meitat dels 1.267 projectes recollits per la base de dades www.energystorageexchange.org (base de dades mantinguda pel Ministeri de energia d'Estats Units, i relativa a l'aplicació de sistemes d'emmagatzematge d'energia en xarxes i sistemes elèctrics al món), girin al voltant de tecnologies de liti.
De la mateixa manera, i com s'ha introduït anteriorment, l'alta energia específica de les bateries de liti justifica la seva aplicació en vehicles elèctrics. Per explicar una mica més aquest aspecte, es proposa el següent i succint càlcul.

Pack de bateries de liti-ió d'un Nissan Leaf. Font: http://www.corporateknights.com/channels/transportation/electric-vehicle-battery-costs-rapidly-falling-study-14307264/

Un vehicle utilitari compacte pot oferir 1100 km d'autonomia amb 45 litres de gasolina al tanc. Atenent a la densitat de la gasolina, 680 kg / m3, resultarien 30,6 kg de massa de combustible. Per al vehicle de combustió interna considerem també una eficiència energètica tanc de gasolina - roda del 25%, i un poder calorífic de la benzina de 32,2 MJ / l. D'altra banda, considerant una energia específica mitjana d'un pack de liti d'aproximadament 120 Wh / kg, una eficiència energètica bateria - roda del 75% i una profunditat de descàrrega màxima de la bateria del 80% respecte a la seva capacitat nominal. La pregunta és quina seria la massa del pack de bateries d'aquest vehicle compacte en versió elèctric, perquè s'obtingués la mateixa autonomia que amb el tanc de gasolina.
La resposta a aquesta pregunta la calculem en dos passos. En primer lloc calcularem la part d'energia dels 45 litres de gasolina que arriba efectivament a la roda del vehicle:

Energia_roda = 45 lx 32,2 MJ / lx 1000 kJ / MJ x 1 h / 3600 sx 0,25 (eff.) = 100,6 kWh

Aquesta és l'energia que hauria de proveir el pack de liti-ió a la roda del vehicle per desplaçar-1100 km. Tenint en compte la profunditat de descàrrega màxima de la bateria i la seva eficiència, el pack de bateries hauria d'estar dimensionat en:

Energia_pack = 100,6 kWh / 0,75 (eff.) / 0,80 (profund.) = 167,7 kWh

Finalment, un pack de bateries d'aquesta capacitat d'energia, tindria una massa de 167,7 kWh / 0,120 kWh / kg = 1397,5 kg.

Aquesta és, sens dubte, una massa inadmissible per a aquest pack de bateries que proporcionaria 1100 km d'autonomia. La massa d'aquest pack resultaria gairebé tan elevada com la massa del vehicle compacte en versió gasolina. És per això que el principal és millorar les prestacions de les bateries de liti-ió, com a pas fonamental per al desplegament definitiu de l'electrificació del transport. En qualsevol cas, el liti-ió és la millor opció actualment. Refent el càlcul anterior per plom-àcid (energia específica de 24 Wh / kg), resultaria una massa del pack de bateries de gairebé 7 tones; totalment impracticable.

Tendències: tecnologies futures i joves realitats
Les bateries de liti-ió són sens dubte la tecnologia que atrau més interès a nivell d'innovació tecnològica, ja que la majoria de progressos en aquest sentit resulten en productes que poden arribar al mercat en un temps relativament curt. No obstant això, atenent a la necessitat de millorar les prestacions de l'emmagatzematge electroquímic, la comunitat científica avança també en el desenvolupament de noves electroquímiques. En aquest sentit, algunes de les principals línies d'investigació a dia d'avui se centren en el desenvolupament de bateries en base a dos elements, el sofre i l'oxigen. L'interès en aquests dos elements és, d'una banda, l'abundància dels mateixos a la Terra, i d'altra banda, l'alta energia específica que es podria arribar a aconseguir en la pràctica. En efecte, l'energia específica real de les bateries de liti-sofre podria arribar a 400 Wh / kg. Aquest valor milloraria substancialment l'energia específica actual de les bateries de liti-ió.
En referència a l'oxigen, destacar també el potencial de les bateries conegudes com a metall-aire. La idea és utilitzar un ànode d'un metall com zinc, alumini, ferro, magnesi, fins i tot liti, que reacciona amb l'oxigen en la cel electroquímica. Alguns de les combinacions amb més desenvolupament són les d'alumini-aire i les de liti-oxigen. Aquestes bateries prometen una energia específica superior a les de liti-ió (2400 Wh / kg i 1700 Wh / kg límits teòrics respectivament), a més de baix cost i fàcil reciclat, aprofitant l'abundància del mineral alumini i maduresa tecnològica de la indústria metal·lúrgica associada. Aquestes prestacions tècniques, entre d'altres, podrien impulsar definitivament l'àmbit de l'electromobilitat. Una prova en relació a l'interès que atreu aquesta tecnologia és el fet que Tesla Motors ha estat registrant patents des de l'any 2010 en metall-aire. L'última, al gener de 2017 (nombre de publicació US9559532 B2), sobre els mètodes de càrrega de bateries de metall aire.
Les electroquímiques de metall-aire i liti-sofre es consideren com a tecnologies de futur, o d'un futur pròxim en qualsevol cas. No obstant això, i per completar el catàleg d'opcions presentades fins ara, és convenient incorporar un últim punt sobre una relativa jove realitat, com és la de les bateries de flux.
A les bateries de flux, a diferència dels tipus presentats anteriorment, els electròlits no es troben en la mateixa cel·la electroquímica contínuament, sinó que són bombats des de dos tancs (un per al càtode i un altre per l'ànode) externs a la cel·la. La quantitat de substàncies electroquímicament actives determina la capacitat d'energia d'una bateria, i en cas de les bateries de flux, aquesta queda determinada directament per la grandària dels tancs electrolítics. Contràriament, la capacitat de potència la determina la dimensió i nombre de cel·les de la pròpia bateria (no dels tancs) i de l'electrònica de potència associada. Així, les dues variables de disseny (capacitat d'energia i potència) resulten variables independents, i això proporciona una gran flexibilitat de disseny, sobretot pensant en aplicacions estacionàries.
Bàsicament, al mercat es poden trobar dos químiques per a bateries de flux: les bateries de vanadi i les de zinc-brom, tecnologies que ofereixen tensions de cel·la de fins als 1,7 V. En termes generals, es pot assegurar que la autodescàrrega és pràcticament nul·la en les bateries de flux, i poden ser descarregades totalment sense accentuar la degradació de les cel·les. La ciclabilitat també és una de les principals prestacions d'aquesta tecnologia. Per exemple, les bateries de vanadi poden ser carregades i descarregades més de 10.000 vegades, arribant a una profunditat de descàrrega del 100%, d'acord amb el fabricant redT. Pel que fa a l'eficiència energètica, cal destacar que no resulta tan elevada com per a les bateries de liti-ió, per exemple, però resulta acceptable, entorn del 80% a temperatura ambient.
Les bateries de flux estan fabricades en bona part utilitzant materials reciclats, la qual cosa és un punt a favor seu en termes mediambientals. A més, requereixen, en general, de molt poc manteniment. Altres aspectes d'operació inclouen la necessitat de períodes de precàrrega de la bateria, ja que en estat de desconnexió la tensió de cel·la és 0 V. Les bateries de flux troben aplicació en sistemes modulars de l'ordre de MW de potència i MWh de capacitat d'energia . En aquest sentit, poden ser bones candidates per a la integració en xarxa de les energies renovables de caràcter intermitent.

Però, per a què serveixen?
Les bateries recarregables han trobat històricament nombrosos àmbits d'aplicació, ja sigui en el sector domèstic com en l'industrial. Exemples clars, poden incloure des dels telèfons mòbils, sistemes d'alimentació ininterrompuda, electrònica de consum en general; accionaments industrials per a màquines elèctriques, tracció de maquinària, acumuladors d'energia estacionaris per a processos industrials diversos, ... També en el sector del transport es tenen aplicacions clares (provisió d'energia en trens i vaixells, alimentació per a consums auxiliars en vehicles per carretera, ...) I des d'un temps ençà és exponencial l'ús de l'emmagatzematge electroquímic en vehicles elèctrics (bicicletes, motocicletes, vehicles utilitaris, de transport de mercaderies, de transport públic, ...)
Però l'avanç tecnològic de les electroquímiques obre la porta a nous negocis també, alguns d'ells en el sector de les xarxes elèctriques. Per a aquests nous negocis, en termes generals el missatge a transmetre és que la tecnologia està avui ja disponible, a un cost que decreix any a any i que resulta ja competitiu en alguns casos. Potencials inversors, davant d'aquest escenari, estarien explorant precisament aquestes condicions que assegurin la competitivitat dels negocis que es poguessin formular. Resposta aquesta qüestió, l'emmagatzematge d'energia resultarà una eina fonamental per a una transició del sistema energètic actual a un model descarbonitzat, dominat per les energies renovables. Aquests inversors podrien ser els propis operadors de les xarxes elèctriques i els generadors, però també els consumidors domèstics, comunitats o la indústria. Per exemple, un operador d'una xarxa de distribució podria adoptar sistemes d'emmagatzematge per llimar pics de potència a causa de la variabilitat de les renovables i a distribuir per una infraestructura, que sense aquest emmagatzematge, hauria de ser reforçada amb més cables i equipament. Similarment, un operador d'un parc eòlic voldria incorporar certa capacitat d'emmagatzematge per facilitar la seva integració en xarxa, i també aconseguir ingressos extra per a la provisió de serveis auxiliars per a una millor operació de la xarxa elèctrica. Més encara, un consumidor domèstic, o una comunitat, voldrien incorporar emmagatzematge per maximitzar la seva autoconsum d'energia renovable, i minimitzar la seva dependència del subministrament elèctric per part de la companyia distribuïdora. I per què no, a través de l'ús dels carregadors de vehicles elèctrics adequats (carregadors bidireccionals), la capacitat d'emmagatzematge dels vehicles podria ser explotada també en el sector de l'energia com un actiu més per, en definitiva, la modernització de les xarxes i sistemes elèctrics feia un model descarbonitzat.
La resposta a totes aquestes qüestions requereix avui de l'esforç conjunt de l'administració, l'acadèmia i la indústria. A les nostres mans està crear el coneixement i les eines necessàries per fer el millor ús dels recursos que disposem.

Font: InfoPLC