mean difference lower (5.48 lower to 2.97 lower)

D

iariamente mi- llones y millones de personas ha- cemos uso de la energía, en una forma u otra, para satisfacer todo tipo de ne- cesidades. La energía que utilizamos a lo largo del día proviene de diversas fuentes y se puede pre- sentar de muchas formas, pero es la energía eléc- trica la que se utiliza de forma universal debido a que puede ser fácilmente convertida en luz, calor, movimiento, etc.

El consumo de energía eléctrica ha venido cre- ciendo hasta los últimos años y se prevé que siga creciendo debido a la apa- rición de nuevos mode- los energéticos como las Smart-Cities o la inclu- sión del vehículo eléctrico (VE). Sin embargo, el au- mento de la generación de energía eléctrica no pue- de hacerse de cualquier forma. Distintas políticas,

como el Horizonte 2020 promovido por la UE, defienden el uso de gene- ración a partir de fuentes renovables para hacer frente a problemas como el calentamiento global y la conta- minación.

El sistema de generación eléctrico actual se basa en que la energía

eléctrica debe ser generada en el mismo momento en que se produce. Este modelo no casa con la inclu- sión de las energías renovables y con los conceptos de gestión energética smart. Llegados a este punto, la es- tructura del sistema eléctrico debe cambiar, de forma que la energía

pueda ser guardada cuan- do haya disponibilidad y consumida cuando haya demanda. La capacidad de obtener un sistema que pueda ser gobernado bajo estas reglas está cada vez más cerca gracias a la evolución de las bate- rías. En consecuencia, la posibilidad de almacenar energía eléctrica en can- tidades aceptables está también incurriendo en el cambio de otros hábi- tos de consumo, como la implantación del vehículo eléctrico, posibilitando un uso más limpio y eficiente de la energía.

¿Qué es una batería?

Una batería, en su defi- nición más básica, es un dispositivo que propor- ciona energía eléctrica a partir de reacciones químicas. Es importante diferenciar que existen baterías que solamente pueden ser utilizadas una vez, denominadas primarias, y otros tipos que permiten ser cargadas/ descargadas reiteradamente, las cuales son conocidas como baterías recargables, más correctamente denominadas baterías secundarias. De esta forma, son las baterías se- cundarias las que se utilizan am-

33

Diciembre 2014 / n.º 468 Automática e Instrumentación

Almacenamiento de energía

pliamente para una gran variedad de aplicaciones y finalidades.

El término batería, utilizado infor- malmente para referirse al disposi- tivo en general, debe ser desglosado en distintos elementos. El concepto batería es la unión de elementos más simples, denominados celdas, las cuales son pequeños paquetes en donde se almacenan los distin- tos materiales que llevan a cabo las reacciones químicas. De este modo, una batería puede estar compuesta por una sola celda o puede ser la unión de muchas, estando entre ellas conectadas en serie o paralelo para así obtener las tensiones de- seadas. Constructivamente la celda está compuesta por 4 partes princi- pales tal y como se ejemplifica en la figura de la página anterior

• Electrodo negativo: también de- nominado ánodo, es el material que libera electrones durante el proceso de descarga, es decir, se oxida.

• Electrodo positivo: también de- nominado cátodo, es el material que adquiere electrones durante el proceso de descarga, es decir, se reduce. Nótese que esta nomencla- tura cambia según si la batería se carga o descarga, ya que se invierte la función de los electrodos.

• Electrolito: es el elemento que completa el circuito internamente, permitiendo el intercambio de iones entre los electrodos. El electrolito suele ser de tipo líquido aunque las nuevas baterías utilizan materiales que pueden estar en estado sólido o gelatinoso.

• Separador: Es una barrera que aísla eléctricamente los dos electro- dos de la batería. En caso de perder el aislamiento la carga podría fluir sin impedimento, formando así un corto-circuito y haciendo inútil la batería.

La energía química almacena- da en las celdas es convertida en energía eléctrica mediante una reacción (reducción/oxidación), siempre y cuando se establezca un camino eléctrico exterior, es decir una carga, que permita el paso de los electrones entre los electrodos. Internamente las cargas se distri- buyen por medio del electrolito.La energía y los distintos parámetros

que definen una batería dependen directamente de los materiales a partir de los cuales está construida, de forma que diferentes tipos de materiales incurrirán en diferen- tes valores de tensión y corriente. Idealmente, los materiales utiliza- dos para construir los electrodos de la batería deben ser aquellos que ofrezcan la mayor diferencia de potencial posible entre ellos. Además, los materiales utilizados como cátodos serán aquellos que se oxiden con facilidad mientras que como ánodo se utilizarán aquellos que tengan facilidad para reducirse, dependiendo este parámetro de los electrones de valencia disponibles en cada elemento.

Las características de las bate- rías vienen definidas por diferentes parámetros como son su tensión nominal, su capacidad de almace- nar carga (capacidad volumétrica, capacidad específica, capacidad galvanométrica) o su resistencia in- terna. De esta forma la selección de las baterías se hace a criterio de la necesidad de la aplicación a la cual dará servicio. Las baterías serán se- leccionadas según la capacidad para

satisfacer un servicio determinado, término también conocido como State of Function (SOF). Es intere- sante destacar que según el modo en que se utilice una batería, es decir, según la velocidad de carga/ descarga, hará que sus prestaciones se ajusten más o menos a sus valores nominales, ya que en condiciones de estrés estas bajan.

Además, algunas de las baterías actuales deben ser operadas dentro de unos márgenes muy específicos de funcionamiento para así maxi- mizar su vida útil, evitar un enveje- cimiento prematuro y asegurar que las aplicaciones para las cuales están diseñadas funcionan correctamen- te. Es muy importante que todas las celdas que forman una batería trabajen bajo unas mismas caracte- rísticas de funcionamiento. Algunas tecnologías incorporan un sistema de control, denominado Battery Management System (BMS), el cual garantiza el óptimo funcionamiento del sistema y maximiza su vida. Igualmente, algunas aplicaciones como el vehículo eléctrico requie- ren el conocimiento del estado de la batería en todo momento para

n Comparativa de la energía almacenada en las diferentes tecnologías de baterías.

LiCoO₂ LiMn₂O₄ LiFePO₄ LiNiMnCoO₂ Tensión 3.6 V 3.8 V 3.3 V 3.7 V

Ciclo de vida 500-1000 500-1000 1000-2000 1000-2000

Energía específica 150-190 _Wh/kg 100-135 _Wh/kg 90-120 _Wh/kg 140-180_Wh/kg Límite térmico 150 ºC 250 ºC 270 ºC 210 ºC n Resumen características tecnología Li-Ion comerciales. Fuente: BatteryUniversity.

34

Automática e Instrumentación Diciembre 2014 / n.º 468

Almacenamiento de energía

poder asegurar ciertas garantías de funcionamiento. Esta información es gestionada por el BMS, el cual se encarga de gestionar el estado de carga de la batería (State of Charge, SOC), la energía extraída de la ba- tería (Depth of discharge, DoD) o el estado de envejecimiento (State of Health, SOH).

Tipos de baterías

Actualmente existen diferentes tec- nologías de baterías, cada una de las cuales se caracteriza por estar cons- truidas con diferentes materiales, ofreciendo así distintas característi- cas y propiedades dispares. Debido a la necesidad de obtener dispositivos con mayor capacidad de almacena- miento energético, las baterías han ido evolucionando, apareciendo así nuevos materiales y tecnologías. La figura de la página anterior compara la energía que puede almacenar cada una de las tecnologías.

Baterías de Plomo-Ácido

Las baterías de plomo ácido son la tipología de baterías secunda- rias más utilizadas debido a que se trata de la tecnología más antigua. Este tipo de baterías presenta el atractivo de que su fabricación es relativamente barata y su tecnología es sencilla y ampliamente conocida. Constructivamente, las baterías de Plomo-Ácido se caracterizan por disponer de un cátodo formado por el material activo PbO₂ (óxido de plomo), siendo el ánodo Pb. El electrolito es una disolución acuosa de ácido sulfúrico.

Entre sus características principa- les destacan una respuesta bastante rápida y un perfil de autodescarga

mensual de alrededor del 3%. La autodescarga en las baterías de Plomo-Ácido se produce debido a reacciones anómalas dentro de las celdas y a la inestabilidad en sus componentes activos (Pb-PbO₂), el cual se acrecienta a mayores tem- peraturas. Este tipo de baterías tam- bién se caracteriza por una eficien- cia (carga/descarga) relativamente elevada (63-90%) y un voltaje de celda de 2 V. Entre sus desventajas destacan un perfil de carga lento y un ciclo de vida (cargas/descargas) relativamente bajo dependiendo en gran medida de la profundidad de descarga en su operación (máxi- mo 200-300 ciclos). Además, esta tipología de baterías no puede ser descargada completamente ya que se produce sulfatación, fenómeno que reduce su vida útil. Otros in- convenientes son un ratio energía/ peso-energía/volumen bajos (25-50 Wh/kg y 50-90 Wh/L), lo cual sig- nifica que para obtener cantidades significantes de energía almacenada se requiere de volumen y pesos ele- vados. Por último, este tipo de bate- rías son bastante sensibles frente a bajas temperaturas, con lo cual para trabajar en determinados entornos requieren de un control térmico, encareciendo así su coste.

El avance tecnológico en la tec- nología Plomo-Ácido se centra en la búsqueda de nuevos materiales que mejoren su rendimiento, aumenta- do la capacidad de almacenamiento y los ciclos de carga/descarga, así como aumentar sus capacidades específicas de energía y potencia. Un campo activo de trabajo es la adición de carbono en los electrodos negativos, ya que siempre y cuando

no cambie la naturaleza de la reac- ción aumenta la potencia específica de la batería, reduciendo al mismo tiempo uno de los principales pro- blemas de este tipo de baterías, la sulfatación.

Las baterías de plomo se utilizan en diversas aplicaciones como en el arranque de motores, también en aplicaciones de energía portátil o dispositivos de electrónica de consumo. Uno de los campos en las que se utilizan ampliamente son en aplicaciones de energía de reserva (equipos de telecomunicaciones, SAIs, etc.). Alternativamente, uno de los campos de desarrollo de este tipo de baterías es su implementa- ción en aplicaciones de energías renovables y estabilidad de redes.

Baterías de Níquel-Cadmio (Ni-Cd)

Los materiales constituyentes de este tipo de baterías son: hidróxido de níquel (NiOH) como material activo en el electrodo positivo e hi- dróxido de cadmio (Cd(OH)₂) en el electrodo negativo. El electrolito es una solución alcalina acuosa basada en hidróxido de potasio (KOH). Las baterías de Ni-Cd se caracterizan por ser robustas y precisar poco mantenimiento. Sin embargo, su- fren de efecto memoria, de forma que su capacidad de almacenamien- to se reduce si no se realizan ciclos completos de carga/descarga. Este tipo de baterías tienen una vida de alrededor de 500-700 ciclos, con una eficiencia del 70-90 %. Su ra- tio energía/peso y energía/volumen varía entre 40-60 Wh/kg y 50-150 Wh/L respectivamente, siendo su densidad energética alrededor de 150 Wh.

Las baterías Ni-Cd se caracterizan por ofrecer una tensión nominal baja, alrededor de 1,2 V por celda. Otro de los inconvenientes de este tipo de baterías es la producción de gases durante ciertos procesos de carga, especialmente cargas rápidas, ya que se puede producir oxígeno en el electrodo positivo e hidrógeno en el negativo. Algunos modelos deben disponer de siste- mas de ventilación para la extrac- ción de los gases que se originan en

35

Diciembre 2014 / n.º 468 Automática e Instrumentación

Almacenamiento de energía

su interior. Otro factor negativo de este tipo de baterías es que el metal cadmio con el que se construyen es un metal pesado muy contaminante para el medio ambiente, factor que ha frenado el desarrollo de este tipo de baterías.

Su ámbito de aplicación es diver- so, pero especialmente se usan en aplicaciones de pequeña energía portátil o energía supletoria (ilumi- nación de emergencia o respaldo de electrónica). Sin embargo, su implantación en aplicaciones de gestión de energía no está muy extendida. Por sus características se estudia la posibilidad de utilizar este tipo de baterías en aplicaciones de soporte de red en lugares con condiciones climáticas complicadas, ya que son elementos que pueden trabajar a elevadas temperaturas. Un ejemplo de estas posibilidades sería su implementación en apli- caciones de almacenamiento de energía solar.

Baterías de Níquel-Metal Hidruro (Ni-MH)

Las baterías Ni-MH son muy simi- lares a las Ni-Cd, diferenciándose constructivamente en que su ánodo está construido a partir de una alea- ción metálica capaz de almacenar hidrógeno en lugar de cadmio, aún ofreciendo una tensión de salida similar. Este tipo de baterías ofre- ce mayores ratios energía/peso- energía/volumen (70-100 Wh/kg y 170-420 Wh/L), teniendo también la ventaja de que no contiene me- tales tóxicos.

A parte de mayores ratios en den- sidad y energía específica, las tec- nología Ni-MH presenta un efecto memoria mucho más reducido que la tecnología Ni-Cd. Sin embargo, esta tecnología presenta un ratio de auto descarga muy elevado, llegando a perder alrededor del 20% de su carga durante las primeras 24 h después de ser cargada y cerca del 10% por mes consecutivo.

Este tipo de baterías generalmen- te se utilizan en aplicaciones de productos portables, teniendo un potencial importante en aplicacio- nes industriales, como por ejemplo los dispositivos UPS.

Baterías de Sodio-Cloruro de Níquel (Na-NiCl₂)

Esta tecnología de baterías también es conocida como baterías Zebra. Las características principales que definen esta tecnología son una energía específica de 90-120 Wh/kg, una densidad energética alrededor de 150 Wh/L, una potencia especí- fica de 150-170 W/kg y una tensión de celda de 2.5 V. Además, este tipo de tecnología se caracteriza por tra- bajar a temperaturas muy elevadas (250-300ºC). Constructivamente se caracterizan por disponer de un electrodo de sodio líquido, estando separado del ánodo por un electro- lito cerámico. El ratio de autodes- carga que presenta es muy pequeño y su ciclo de vida relativamente largo, llegando a valores de 3.000 ciclos. El rango de aplicaciones de estas baterías es muy diverso, sus aplicaciones son generalmente de UPS pero también se han utilizado para demostraciones de vehículos eléctricos.

Baterías de Sodio-Azufre (NaS)

Las baterías NaS se caracterizan por estar construidas por electro- dos de sodio y azufre fundidos, es decir, en estado líquido. Ambos electrodos están separados por un electrolito sólido denominado Base (beta alumina solid electrolyte), el cual se caracteriza por ser un buen conductor de iones rápidos.

Similar a la tecnología Zebra, las baterías NaS trabajan a tempe- raturas muy elevadas cercanas a

los 300-350ºC, precisando así de un sistema que asegure una ópti- ma temperatura de operación. La eficiencia de este tipo de baterías es elevada (80-90%). Además, su densidad energética es alta (150- 300 Wh/L), siéndolo también su energía y potencia específica, pero teniendo un voltaje de celda de 2V. Su ratio de autodescarga es muy bajo, estando cerca del 0%. Este tipo de tecnología es una de las más pro- metedoras para el almacenamiento energético en sistemas eléctricos. De este modo, las principales líneas de investigación se dirigen a aumen- tar el rendimiento de los dispositivos y reducir la temperatura de trabajo. El principal fabricante de estas ba- terías es la empresa japonesa NGK Insulators Limited.

Las aplicaciones de las baterías NaS se centran principalmente en el almacenamiento de energía para grandes instalaciones eléctricas, no considerándose buenas candidatas para aplicaciones donde se requiere movilidad. De entre este gran grupo cabe destacar su uso en la gestión e integración de energías renovables a las redes eléctricas, calidad de su- ministro y la gestión de la demanda peak shaving.

Baterías de Lítio-Ion

Las baterías de iones de litio (Li-Ion) se caracterizan por un manteni- miento bajo y un efecto memoria nulo. Su ratio de autodescarga es pequeño, siendo de alrededor del 5% mensual. Constructivamente,

36

Automática e Instrumentación Diciembre 2014 / n.º 468

Almacenamiento de energía

las baterías de litio-ión están for- madas por un cátodo a partir de un metal óxido, un ánodo a base de un material carbonoso (grafito) y un electrolito a base de una sustan- cia orgánica no acuosa disuelta en sales de litio. Dependiendo de los materiales utilizados para su cons- trucción, sus propiedades pueden cambiar, pero el rango de energía específica varía alrededor de 75-200 Wh/kg y su potencia alrededor de 300 W/kg. Además, las baterías de litio-ion tienen rendimientos de car- ga/descarga muy elevados, llegando en algunos casos al 97%. El voltaje de celda puede variar entre 3.2 y 3.7 V dependiendo de los materiales utilizados para su construcción. El principal problema de esta tecnolo- gía es que se debe prestar especial atención a los ciclos de carga y descarga, ya que una mala gestión puede disminuir su tiempo de vida. Debido a esto, esta nueva gene- ración de baterías precisa de una gestión mucho más meticulosa que sus predecesoras, requiriendo de un sistema de BMS que controle que las diferentes celdas que forman el

conjunto de la batería se descargan equilibradamente.

El funcionamiento de las baterías de litio-ion se basa en un sistema de intercalación de los iones de litio en las estructuras atómicas de los materiales que componen el ánodo y el cátodo. Así, la elección de los materiales tiene una gran influencia en las características finales de este tipo de baterías. Como se ha mencio- nado anteriormente, el ánodo está construido a partir de un material carbonoso, siendo el grafito el más utilizado. Sin embargo, hay otros

materiales que todavía están en fase de desarrollo, como los nanotubos de carbón, donde se modifica la estructura de este material para me- jorar el intercambio y alojamiento de los iones. Uno de los elementos que actualmente más condiciona el comportamiento de la batería es el cátodo. Existen diferentes materiales utilizados como cátodos, donde además se pueden utilizar diferentes tipos de aleaciones para conseguir propiedades diferentes. Los materiales actualmente más utilizados son:

• Óxidos de materiales transito- rios como el litio óxido de cobalto LiCoO₂, litio óxido de manganeso LiMnO₂ o el litio óxido de níquel LiNiO₂, los cuales crean una estruc- tura de alojamiento de tipo 1-D.

• Materiales con estructura spinel (litio óxido de manganeso LiMn₂O₄), que crean una estructura 2-D.

• Fosfatos, como el litio fosfato de hierro LiFePO₄, el cual genera una estructura de alojamiento 3-D.

Además, existen hibridaciones de los distintos tipos de materiales que combinan las propiedades de los diferentes compuestos citados anteriormente. Dichas aleaciones son el litio-níquel/manganeso/co- balto NMC o el litio-níquel/cobalto/ óxido-de-aluminio NCA.

Existe otro tipo de tecnología de- nominada polímero de litio-metal, conocida como litio polímero o LiPo, que se caracteriza por estar cons- truida por láminas de litio metálico y un electrolito de polímero sólido

In document Intermittent fasting interventions for the treatment of overweight and obesity in adults aged 18 years and over: a systematic review and meta-analysis (Page 78-90)