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Teoría de los acumuladores de energía con especial atención a las baterías de plomo ácido
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Recursos Energéticos Complementarios
Acumulación de energía eléctrica Pág. 1
1 ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
GENERALIDADES
La producción eléctrica a partir de recursos renovables suele estar sujeta a un cierto grado de
aleatoriedad y en muchos casos a ciclos de producción que no coinciden con los ciclos de consumo. Este
perfil de generación más o menos aleatorio puede ajustarse a algunas aplicaciones tales como bombeo. Sin
embargo en la mayoría de las ocasiones se requiere un mayor nivel de disponibilidad de la energía. En estos
últimos casos se hace necesario el uso de sistemas de acumulación.
Los acumuladores desempeñan tres importantes funciones:
Autonomía: satisfacen los requerimientos de consumo en cualquier momento incluidos los
de baja o nula actividad energética.
Suministro de picos de intensidad: suministrando, cuando sea necesario, corrientes
mayores a las que pueda suministrar en el generador como para arrancar motores o equipos
similares
Estabilización del voltaje: evitando fluctuaciones dañinas para el correcto funcionamiento
de los consumos.
Dependiendo del tipo de aplicación los acumuladores pueden funcionar en distintos tipo de ciclos
de carga y descarga.
Ciclo diario superficial: la función del acumulador es el suministro de energía en las horas
de baja producción y garantizar un número de días de autonomía. Ocasionalmente se puede
presentar alguna descarga profunda. Este caso es el modo de funcionamiento menos
agresivo para un acumulador. Es el funcionamiento típico de sistemas fotovoltaicos
autónomos.
Ciclo anual: en este caso además del ciclo diario, el acumulador está sometido a un ciclo
estacional motivado por la distinta producción dependiendo del mes o estación del año. Las
condiciones de funcionamiento son más severas que en el caso anterior porque existen largos
periodos en estado de baja carga.
Ciclo profundo: en esta caso el acumulador presenta un ciclo caracterizado por una descarga
profunda sin embargo no es necesario que garantice días de autonomía ya que se cuenta con
un sistema auxiliar de energía. Es el caso típico de sistemas híbridos.
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La acumulación se realiza transformando la energía eléctrica en otro tipo de energía. Esta energía
acumulada debe ser capaz de volverse a transformar en energía eléctrica cuando sea requerida por los
consumos que están conectados al sistema.
1.1 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA MECÁNICA
La energía se puede transformar en energía mecánica a través de distintas posibilidades:
Energía potencial por bombeo: la energía eléctrica se almacena bombeando agua hasta un
depósito situado a mayor altura para dejarla caer de nuevo cuando se necesite recuperarla. Se puede instalar
tanto en espacios naturales como en presas artificiales, por lo que está indicado para acumulación a gran
escala. Este sistema presenta como ventajas su bajo coste de operación y mantenimiento y su larga vida útil.
Sin embargo presenta un alto coste de inversión inicial y su baja densidad de energía (3Wh/m3 por metro de
desnivel)
Energía cinética de rotación (volantes de inercia): los volantes de inercia (flywheels) son
sistemas que almacenan la energía eléctrica en forma de energía cinética de rotación. La energía que se
puede acumular en un volante de inercia se puede expresar como:
E = 1/2 I w2
Donde I es el momento de inercia de la unidad rotora que gira a una velocidad angular w. sus
componentes básicos son rotor, eje, cubierta de vacío, cojinetes. El rotor (cuyo diámetro puede variar desde
centímetros a varios metros con velocidades entre 2000 y 200.000 rpm) convierte la energía eléctrica que le
llega en rotacional.
Los volantes de inercia pueden almacenar energía entre 5 y 500 kWh. Sin embargo no pueden
almacenar la energía por largos períodos de tiempo. Esta característica los hace muy útiles para aplicaciones
en sistemas de alimentación ininterrumpida, vehículos eléctricos o como fuente de energía puente en
sistemas híbridos (FV-diesel, eólico-diesel)
Actualmente es una tecnología no competitiva debido a su alto coste. Se está trabajando en la
búsqueda de nuevos materiales que mejoren su densidad de energía y nuevos diseños como la suspensión
magnética.
1.2 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Se puede acumular energía en el campo magnético de una bobina (almacenamiento inductivo) o en
el campo eléctrico de un condensador (almacenamiento capacitivo). Actualmente hay un gran interés en los
capacitores de gran potencia denominados ultracapacitores o supercapacitores. Existen dos tipos de diseño
de los supercapacitores:
1. placa paralela fabricados con polímeros de lámina delgada o con materiales cerámicos.
2. doble capa
Estos dispositivos tienen como principal desventaja su relativa baja densidad de energía (3-30
Wh/kg) en comparación con las baterías convencionales. Pero por otro lado presentan una serie de ventajas:
• Se pueden recargar muy rápidamente (incluso en segundos) y a cualquier valor de voltaje
(asociándolos en serie)
• Pueden entregar elevados y frecuentes pulsos de energía sin dañarse.
• Presentan un alto número de ciclos de vida.
Las características de los supercapacitores les hace interesantes para su uso en sistemas fotovoltaicos
híbridos que trabajen en condiciones de alta radiación o con exceso de energía almacenada
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1.3 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA QUÍMICA
Consiste en la acumulación de la energía eléctrica transformándola en energía química a partir de
uno o varios compuestos que al reaccionar sean capaces de absorber o desprender energía. El ejemplo más
representativo es el de las pilas de combustible. La pila de combustible es un dispositivo que convierte la
energía química directamente en electricidad y calor. Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas
tienen en común el uso de hidrógeno como combustible. Algunas, como las pilas de óxidos sólidos, pueden
utilizar CO, lo que las hace más versátiles cuando estamos utilizando combustibles como el gas natural o el
propano.
Las pilas de combustible pueden ser consideradas como acumuladores recargables en el sentido de
que suministrándoles combustible y aire, no se agotan. Los tipos más comunes son:
Pilas de combustible de ácido fosfórico
Pilas de combustible de carbonatos fundidos
Pilas de combustible de polímeros sólidos
Pilas de combustible de óxidos sólidos
Todas ellas nombradas en función de su electrolito. Debido al uso de diferentes materiales y
temperaturas de operación en cada caso, cada una de ellas tiene diversas ventajas y campo de aplicación,
pero todas comparten el potencial de ser fuentes de generación de energía de alta eficiencia y bajas
emisiones contaminantes.
Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrólito. Oxígeno pasa
sobre un electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado pierde un electrón y al
ocurrir esto ambos (hidrógeno y electrón) toman diferentes caminos hacia el segundo electrodo. El
hidrógeno migra hacia el otro electrodo a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un
material conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléctrica y calor útil. Para generar cantidades
utilizables de corriente las celdas de combustibles son "amontonadas" en un emparedado de varias capas.
Las celdas de combustible son una familia de tecnologías que usan diferentes electrólitos y que
operan a diferentes temperaturas. Cada miembro de esa familia tiende a ser más apropiada para ciertas
aplicaciones. Por ejemplo, las celdas de combustible de membrana eléctrica polimérica han demostrado ser
apropiadas para su aplicación en autos, mientras que las celdas de combustible de carbonatos fundidos
parecen ser más apropiadas para uso con turbinas a gas.
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TIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE
Ácido fosfórico (PAFCs). Este es el tipo de celda de combustible más desarrollado a nivel comercial
y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas y hospitales, hoteles, edificios de oficinas,
escuelas, plantas eléctricas y una terminal aeroportuaria. Las Celdas de Combustible de ácido fosfórico
generan electricidad a más del 40% de eficiencia – y cerca del 85% si el vapor que ésta produce es empleado
en cogeneración – comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Las
temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 200ºC. Este tipo de celdas pueden ser usadas en
vehículos grandes tales como autobuses y locomotoras.
Polímero Sólido ó Membrana de Intercambio Protónico (PEM). Estas celdas operan a relativamente
bajas temperaturas (unos 90C), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida rápidamente
para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una
demanda inicial rápida, tal como en el caso de automóviles. Parece que "son los principales candidatos para
vehículos ligeros, edificios, y potencialmente para otras aplicaciones mucho más pequeñas como el
reemplazamiento de baterías recargables en vídeo cámaras".
Carbonato Fundido (MCFCs). Las Celdas de Combustible de Carbonato Fundido prometen altas
eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera
a temperaturas del orden de los 650C.
Óxido Sólido (SOFCs). Otra Celda de Combustible altamente prometedora, la celda de Combustible
de Óxido Sólido, podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de
generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo
de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos motores. Una prueba de 100kW está
siendo terminada en Europa mientras que dos pequeñas unidades de 25kW se encuentran ya en línea en
Japón. Un sistema de Óxido Sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrólito
líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1000C. Las eficiencias de generación de
potencia pueden alcanzar un 60%.
Alcalinas. Utilizadas desde hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo de
celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de
potasio como electrólito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas para aplicaciones comerciales
pero varias compañías están examinando formas de reducir estos costos y mejorar la flexibilidad en su
operación.
Otras Celdas de Combustible. Nuevos miembros de la familia de Celdas de Combustible, tales
como las de Metanol Directo, pueden surgir como resultado del presente trabajo llevado a cabo en
laboratorios privados y gubernamentales.
1.4 ACUMULACIÓN EN FORMA DE ENERGÍA ELECTROQUÍMICA
Las baterías almacenan la energía eléctrica transformándola en energía electroquímica y son
probablemente la forma actual más importante de almacenamiento de electricidad.
Básicamente las baterías se clasifican en primarias o secundarias según la manera como convierten su
energía química en eléctrica.
Las baterías primarias o pilas son aquellas que tienen energía almacenada en forma de reactivos
químicos que se libera como energía eléctrica cuando son conectadas, pero lo hacen en un solo ciclo, es decir
que una vez descargadas no es posible recuperarlas. Se dice que tienen un solo ciclo de descarga. El ejemplo
más conocido es la pila seca o de Leclanché, ampliamente utilizada.
Las baterías secundarias son aquellas en las que las reacciones químicas que participan en la
conversión de energía son reversibles en un grado más o menos completo, en otras palabras son sistemas que
permiten ser recargados, es decir que poseen más de un ciclo de carga y descarga (pueden ser miles de
ciclos). La batería secundaria suele llamarse acumulador. En este tipo de baterías se encuentra el sistema más
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ampliamente utilizado, la batería de plomo-ácido (Pb-ácido). Esta batería, a pesar de haber pasado más de un
siglo desde su invención, ofrece unas prestaciones que no han sido superadas totalmente hasta ahora.
Otra batería de uso industrial, y en los últimos años de amplia utilización en telefonía celular, son las
baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) o níquel-hierro (Ni-Fe)
2 BATERÍAS. EVOLUCIÓN HISTÓRICA
2.1 FUERZA ELECTROMOTRIZ
Para que haya una caída de potencial y se mantenga en un circuito es preciso que haya alguna causa
que lo eleve. Esta causa es llamada fuerza electromotriz y se crea por algún agente, como, por ejemplo una
pila. La fuerza electromotriz se mide con la misma unidad que la diferencia o caída de potencial, o sea, en
voltios. Los generadores de fuerza electromotriz pueden compararse a bombas cuya misión es impulsar un
líquido desde un nivel bajo a otro más alto. Por el contrario, la caída que provoca la resistencia es análoga al
descenso de nivel de una corriente de agua que se desplaza por la acción de la gravedad.
2.2 PAR GALVANICO
En 1786, Galvani, profesor de anatomía de la universidad de Bolonia, descubrió casualmente el
primer generador de f.e.m. capaz de mantener una circulación continua de electricidad. Observó que los
músculos de las ancas de rana despellejadas recién preparadas se contorsionaban por la acción de descarga
eléctrica, cuando ésta se verificaba en una máquina eléctrica situada en sus inmediaciones. Observó además
que si se colgaban de un gancho de cobre en forma que éste atravesase su nervio lumbar, sus músculos se
contraían violentamente cuando las ancas se ponían en contacto con el barandal de hierro de su balcón. Este
segundo descubrimiento, aunque consecuencia del primero, fue también accidental, pero condujo a la
investigación de la llamada fuerza electromotriz de contacto.
Galvani llego a la conclusión correcta de que la contracción de los músculos era debida a un estímulo
eléctrico, y supuso que la corriente se originaba en los tejidos del animal como una especie de fluido. Pero
Volta, de la Universidad de Padua, discutió con él esta última conclusión, y demostró que el origen de la
electricidad estaba en el contacto de los dos metales distintos, cobre y hierro, que se realizaba a través del
anca húmeda de la rana. De acuerdo con dicho punto de vista construyó Volta su pila voltaica, en la que
amplió el efecto del contacto citado estableciendo una serie de dichos contactos o pares voltaicos. Cada par
está separado por un disco de paño humedecido con una solución de ácido sulfúrico, de sal o simplemente
con agua, y está construido por dos discos uno de plata y otro de cobre, y los distintos pares se apilan uno
sobre otro separados por los paños. Estos sustituyen al anca de rana, y el sentido de la f.e.m. es desde el
cobre a la plata a través del disco de paño. Se puede desarrollar un voltaje bastante grande apilando gran
número de pares para formar la pila voltaica.
Cuando metales distintos están separados por un electrolito o una capa delgada de un gas, capaces
de actuar sobre ellos, se establece entre dichos metales una diferencia de potencial. Los diversos metales
pueden ordenarse en una serie, en la cual cada uno de ellos sea más electropositivo que los que le siguen.
2.3 PILA ELÉCTRICA
Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrolito
(que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un
conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los
electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica.
Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía
ha sido convertida, se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las que el producto químico puede ser
reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección opuesta a la operación normal de la
pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.
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2.4 PILA DE DICROMATO
Desarrollada en 1850, la pila de dicromato consistía en electrodos de cinc y carbono situados en un
frasco de cristal lleno de ácido crómico. El diseño de esta batería fue considerado mucho más seguro que el
de sus precedesoras, pues no utiliza ácido nítrico concentrado que desprende humos venenosos.
2.5 PILAS PRIMARIAS O PILA SECA
La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés
Georges Leclanché en los años sesenta. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El
electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo
negativo es de cinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono
rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de
unos 1,5 V.
Son útiles para servicio intermitente, como en timbres eléctricos, y la pila seca, ha permitido la
construcción de lámparas portátiles. Estas pilas tienen una resistencia interior muy inferior a la de Daniell, lo
que les permite crear corrientes más intensas por corto tiempo. Pero, a diferencia de la pila Daniell, la de
Leclanché, no puede usarse continuamente.
Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como
batería de mercurio, desarrollan un voltaje superior al de la pila de Daniell, esto es una consecuencia
respecto a series potenciales de contacto en las que el grafito (una forma del carbono), está más alejado del
cinc que el cobre. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y
relojes de pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el
electrolito es una disolución de Cloruro de amonio. El anión cloro se desplaza hacia el cinc, y cuando la pila
esta en funcionamiento, se une con el para formar cloruro de cinc. El catión amonio tiende a reaccionar con
el agua, en el electrodo de carbón, formando hidróxido amónico y liberando un catión hidrogeno de acuerdo
con la relación.
H2O + NH4 H + NH4OH
La batería de mercurio produce unos 1,34 V.
Las llamadas pilas secas, son esencialmente pilas de Leclanché cuyo electrolito esta constituido por
varios componentes además del cloruro de amonio, los que forman una pasta húmeda o gelatinosa cuando la
pila deja de funcionar es cuando realmente seca.
La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos
químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.
2.6 PILAS SECUNDARIAS
El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse revirtiendo la reacción química, fue
inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y
es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería que habitualmente contiene de tres a seis pilas
conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que
puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente.
El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo
positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones
libres e iones positivos de plomo.
Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan
con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en
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la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo
reacciona con los iones hidrógeno del electrolito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos
últimos se liberarán en el electrolito produciendo nuevamente sulfato de plomo.
Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en
agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se revierten
hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una
vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de
plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.
Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el
inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en
la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo de óxido de
níquel y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la
desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria
pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce aproximadamente unos 1,15 V.
Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio,
en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Es decir está constituida de la siguiente
manera:
Electrolito alcalino (disolución acuosa de hidróxido potásico)
Cátodo: Óxido de níquel hidratado
Ánodo: Cadmio
El electrolito no participa en la reacción, sólo actúa de soporte, por tanto su densidad se mantiene
constante. La reacción que ocurre en el proceso de descarga es la siguiente:
Cd + 2 NiO(OH) + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.
Frente a las baterías de Pb-ácido presenta las siguientes ventajas:
Larga vida (pueden llegar a más de 5000 ciclos de carga-descarga).
Buena respuesta a descargas profundas y sobrecargas.
Bajo mantenimiento.
Mejor rendimiento a temperaturas bajas que las de plomo-ácido.
No se producen gases corrosivos.
Desventajas
Costo por Amperio hora es alto.
Algunos tipos (sinterizados) pierden material activo por reacciones cuando no se utiliza
(MEMORIA).
Mayor auto descarga.
Menor capacidad en descargas lentas.
Contiene cadmio (metal pesado de gran toxicidad ambiental).
Baterías Niquel-Hidruro Metálico (metal hidratado): Este tipo de baterías ofrecen en torno a una
mejora de un 40% de capacidad (autonomía) suplementaria respecto a las de NiCd de un volumen
equivalente. No están sujetas al efecto memoria y tienen una vida media de unos 700 ciclos de carga. Se usan
habitualmente portátiles y teléfonos móviles.
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Baterías Lithium-Ion : Estas baterías tienen un gasto de producción elevado y muy costoso que se
refleja en su precio final. Su ciclo de vida se sitúa alrededor de los 600 ciclos de carga/descarga. Sin embargo
ofrece una capacidad equivalente y más fiable dando una densidad de energía más elevada y constante que
las baterías de Ni/Cd o Ni/MH. Su uso está recomendado para los usuarios exigentes y con trabajo intenso.
Todos hemos sufrido alguna vez en nuestra cámara digital tras sacar alguna foto como el indicador de
batería indicaba sin carga y tras unos segundos volver a estar estable, con las baterías de LI-IO este efecto no
sucede.
Baterías de alcohol: Los investigadores de Motorola Labs han adelantado una etapa más en el
desarrollo de una nueva tecnología de baterías. Han construido y presentado un prototipo de una
micro-batería apta a producir energía a partir del metanol, también designado de alcohol. El funcionamiento
consiste en la mezcla de oxigeno y metanol dentro de un envoltorio cerámico, que genera energía a la
temperatura ambiente.
El objetivo es crear una batería pequeña y barata, con una autonomía muy superior a la de las
baterías de Litio, y que en el futuro pueda por ejemplo alimentar un móvil durante un mes. Fue testada
durante varias semanas sin que presentase señales de degradación relevantes. Pero esta tecnología no se
quedará por los teléfonos móviles, todo que sea portátil podrá un día ser aún más pequeño y fácilmente
transportable.
3 BATERÍAS DE PLOMO ÁCIDO
A pesar del gran esfuerzo realizado en investigación de los diferentes tipos de materiales las baterías
de plomo ácido son las preferidas e insuperables por el amplio de aplicaciones que tienen. El plomo es
abundante y no demasiado caro y es por esta razón por la cual es idóneo para la producción de baterías de
buena calidad en grandes cantidades.
Hoy por hoy, es el tipo de acumulador más utilizado y constituye aproximadamente el 90% del
mercado actual en sistemas productores de energía.
Presenta como principales ventajas su gran disponibilidad, bajo coste, buen rendimiento tanto
faradaico como energético, alta fiabilidad de utilización, amplio rango de temperaturas de operación, bajo
nivel de auto descarga y un razonablemente alto número de ciclos de vida. Sin embargo también presenta
algunas desventajas a tener en cuenta: baja densidad de energía y un pobre comportamiento operando en
condiciones extremas tanto de descargas profundas como fuertes sobrecargas.
Las baterías de plomo ácido son baterías electroquímicas constituidas por un electrodo positivo de
dióxido de plomo y un electrodo negativo de plomo metálico esponjoso. Ambos electrodos están
sumergidos en una disolución de ácido sulfúrico y agua con una concentración nominal del 37% en peso. La
densidad nominal del electrolito para esta concentración es de 1,24 g/cm3 . El voltaje nominal de celda es de
2V.
3.1 CONSTITUCIÓN
Las primeras baterías de plomo-ácido (acumuladores de plomo), fueron fabricadas a mediados del
siglo XIX por Gaston Planté. Hoy en día todavía son uno de los tipos de baterías más comunes. Se descubrió
que cuando el material de plomo se sumergía en una solución de ácido sulfúrico se producía un voltaje
eléctrico el cual podía ser recargado.
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 óxido de plomo (PbO2).
El de la placa negativa es plomo puro esponjoso y el electrolito está disuelto en (H2SO4). Cuando hablamos
de material activo en las baterías de ácido de plomo, nos referimos al óxido de plomo y al plomo esponjoso.
Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas
electroquímicas. Cada una de estas celdas está compuesta de un electrodo positivo y otro negativo además
de un separador. El conjunto de celdas están debidamente selladas al exterior pudiendo tener una válvula de
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ventilación para dejar escapar los gases generados en las reacciones. El contenedor puede ser transparente
para poder controlar el nivel de electrolito. Además las placas de los vasos están
conectados debidamente y accesibles desde el exterior mediante 2 bornes de conexión.
Cuando la batería se está descargando un cambio electroquímico se está
produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos. Los electrones son
transportados entre el electrodo positivo y negativo vía un circuito externo (bombillas,
motores de arranque etc.).
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3.2 TIPOS DE BATERÍAS PB-ÁCIDO SEGÚN SU UTILIZACIÓN
La tecnología del plomo ácido puede variar según las diferentes necesidades existentes. Las baterías
se clasifican en grupos según el uso que estas tengan y por su diseño. Existen distintos tipos de baterías de
plomo ácido dependiendo de la función a la que están destinadas.
Los tipos más comunes de baterías de plomo son:
• Baterías de tracción: Son las que se utilizan para alimentar vehículos eléctricos para
carretillas elevadoras, sillas de ruedas eléctricas, automóviles eléctricos, locomotoras de
minas, maquinaria industrial o alumbrado de ferrocarriles y barcos. Estas baterías operan
con regímenes de descarga muy profundos (80%) durante espacios de tiempo relativamente
cortos (8 horas por ejemplo) y cargas profundas y rápidas por lo que deben tener una
elevada resistencia al ciclado.
• Baterías estacionarias: para fuentes de alimentación de emergencia y fuentes de
alimentación ininterrumpida para usos de informática (UPS), sistemas fotovoltaicos
autónomos. El régimen de descarga de un acumulador estacionario es más lento que el de
los otros tipos de baterías. No obstante debe ser capaz de trabajar largos períodos de tiempo
con un estado de carga (SOC) bajo. Permanecen largos periodos en flotación totalmente
cargadas y resisten profundas descargas esporádicas.
• 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.
Además de estos hay baterías especiales para otras áreas tales como control remoto, herramientas
portátiles, motores de carretillas etc.
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DIFERENCIAS EN LA CONSTRUCCIÓN
Aunque básicamente todos los tipos tienen el mismo el mismo principio de funcionamiento,
presentan diferencias de diseño y constructivas para una mejor adaptación a cada necesidad funcional. Las
diferencias principales entre estos grupos se dan por la estructura y diseño de los electrodos (o placas), el
material activo y el electrolito
- Baterías de tracción. Las baterías de tracción están sujetas a una constante descarga,
durante los periodos de tiempo de utilización, lo que supone un alto grado de descarga.
Presentan un elevado consumo de agua lo que requiere un mantenimiento constante. Sus
principales características de diseño son el uso de placas tubulares para minimizar la
pérdida por el desprendimiento de materia activa durante las descargas profundas y el
uso de rejillas con antimonio que mejora su resistencia al ciclado.
Las baterías de tracción tienen electrodos muy gruesos con rejillas pesadas y un exceso de
material activo.
- Baterías estacionarias. 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 corrosión. Sus principales
características de diseño son el uso de placas y separadores gruesos y rejillas con bajo o
nulo contenido de antimonio.
- Baterías de arranque. Además del régimen de trabajo, el peso, el diseño y la forma son
también características determinantes.
Normalmente sólo descargan un porcentaje pequeño de su capacidad por lo que no
requiere una gran resistencia al ciclado. 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.
También se recurre a un elevado número de placas planas conectadas en paralelo para
reducir su resistencia interna y. al uso de separadores muy finos y un electrolito de baja
densidad.
3.3 QUÍMICA DE LAS BATERÍAS DE PB-ÁCIDO
Cuando una batería está descargándose está teniendo lugar un cambio electroquímico del material
activo en ambos electrodos. En términos sencillos el material en el electrodo negativo se oxida y se liberan
electrones por lo que se convierte en más negativo (reacción anódica). Al mismo tiempo el material en el
electrodo positivo se reduce y el electrodo se convierte en más positivo (reacción catódica). Los electrones
viajan entre los electrodos por un circuito exterior el cual conecta el polo positivo con el negativo.
El proceso produce sulfato de plomo tanto en la placa positiva como en la negativa.
Las reacciones durante la carga pueden describirse como:
Reacción de la Placa Negativa (Plomo Esponja): PbSO4 + 2e- Pb + SO4-2
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Reacción de la Placa Positiva (PbO2): PbSO4 + 2H2O PbO2 + SO4-2 + 4H+ + 2e-
La reacción global sería:
2PbSO4 + 2H2O PbO2 + Pb + 2H2SO4
3.4 TIPOS DE BATERÍAS PB-ÁCIDO SEGÚN SU ELECTROLITO
Durante el proceso de carga de una batería de plomo ácido, y como reacción colateral, parte de la
energía eléctrica que le enviamos a la batería se emplea en a hidrólisis del agua, desprendiéndose hidrógeno
y oxígeno. Es por este motivo que las baterías convencionales requieren de un mantenimiento que consiste
en comprobar el nivel de electrolito y rellenar con agua si fuese necesario. Con el fin de limitar este proceso
de pérdida de gases se han desarrollado otros diseños para minimizar el mantenimiento de las baterías.
Según esto se distinguen:
- Baterías convencionales abiertas que pueden rellenarse con electrolito. Requieren un constante
mantenimiento por que el hidrógeno y el oxígeno escapan de la batería. Tiene tapones para poder ser
rellenadas.
- Baterías de libre mantenimiento que no pueden ser rellenadas. Sus placas están a menudo hechas
de material puro, lo cual reduce la cantidad de gases formados además estas baterías tienen más ácidos
cuando se fabrican. Por supuesto, este tipo de baterías son más herméticas, aunque suelen tener válvulas
ocultas o tapones. Gradualmente pierden el líquido por los gases formados y no pueden ser rellenadas.
- Baterías de recombinación que no necesitan ser rellenadas ya que el oxígeno y el hidrógeno en
estado gaseoso que hay en la batería se recombinan y forman agua. Convierten el hidrógeno y el oxígeno en
agua. Tienen que ser expresamente construidas para conseguir este efecto. Existen varios tipos de baterías de
recombinación en el mercado hoy en día. Las placas están hechas de aleaciones sin antimonio y en ocasiones
se usa un electrolito en forma de gel (baterías gelificadas) o bien embebido en un tipo especial de
separadores (AGM- fibra de vidrio absorbido). Por otra parte estas baterías se construyen de la misma forma
que las baterías convencionales con sus placas inmersas en un recipiente. Esto limita su capacidad para
recombinarse en un grado alto. Las baterías de recombinación están además equipadas con válvulas para
liberar el gas creado si la batería es sobrecargada. Es por tanto importante controlar el proceso de carga para
no sobrecargarla ya que la perdida de electrolito es irreversible. Este tipo de baterías están adaptadas
fundamentalmente a la industria automotriz.
Existen también baterías abiertas que disponen de unos tapones especiales para recombinar los gases
en agua, de modo que se limita en gran medida las operaciones de mantenimiento, y al mismo tiempo se
permite reponer electrolito desde el exterior.
Recursos Energéticos Complementarios
Acumulación de energía eléctrica Pág. 13
3.5 TIPOS DE PLACAS
Placas Planté. Son una hoja de plomo en la cual la materia activa es formada electroquímicamente
(corrosión anódica) del mismo plomo de la plancha por medio de procesos de carga y descarga.
Placas Fauré o empastadas.
Placas planas: Las baterías convencionales y las cerradas, como las de recombinación suelen
estar construidas con celdas rectangulares
constituidas por paquetes de placas
suspendidas e inmersas en un contenedor
lleno de electrolito. Sus placas cuelgan
libres. Se caracteriza por una capa
formada a partir de óxidos de plomo, que
reduce el tiempo para formar los
materiales activos positivos y negativos.
En este tipo de placas se utilizan rejillas
para retener el material activo y mejorar
la distribución de la intensidad en la
placa.
Placas tubulares: Otro diseño es la placa tubular que consiste en varillas de plomo aleado con
antimonio recubiertas de fibras sintéticas en forma de tubos.
Placas enrolladas: las celdas están enrolladas, y el electrolito embebido en el material del
separador. Las celdas están embutidas a presión y tienen solidez. La batería está constituida
por menos componentes que en el caso anterior fuertemente unidos y sin elementos sueltos,
débiles o que queden suspendidos y vibren.
Ejemplo de batería de placas enrolladas libre de
mantenimiento AGM
1. Rejillas de plomo de gran dureza.
2. Electrolito absorbido en la fibra de vidrio
microporosa que forma parte del separador.
3. Celda de placas enrolladas en espiral.
4. Válvulas de seguridad autosellantes.
5. Terminales.
6. Conexiones.
7. Caja de plástico y tapa soldada.
Resumen de tipos de baterías según su fisonomía
Electrólitos Tipo de recipiente contenedor Configuración
Líquido Inmovilizado Opaco Vaso (2V)
Baterías
aireadas
Gel (electrolito
gelidificado) Translúcido
Monobloque (6V,
12V) AGM (electrolito
absorbido) Transparente
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 14
ALEACIONES DE LAS REJILLAS DE LAS PLACAS
plomo-calcio. El calcio añade fortaleza las placas de plomo, pero la corrosión es mayor operando a
bajos niveles de carga
plomo-antimonio. El antimonio añade fortaleza y se produce un menor desprendimiento del
material activo. Se incrementan las tasas de gases durante la carga, con lo que requiere agua
frecuentemente (mayor mantenimiento).
plomo puro: Muy baja autodescarga, pero tiene un mayor coste de fabricación y cierta fragilidad de
las placas
diferentes pasos en la elaboración y ensamblaje de las placas
3.6 CAPACIDAD
Es la cantidad de energía eléctrica disponible cuando el elemento está totalmente cargado. Se expresa
en Amperios-hora (Ah), y se calcula como el producto de la corriente de descarga a intensidad constante por
el tiempo empleado hasta alcanzar el voltaje de corte
Cn = In * tn
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 15
El primer criterio que se utiliza cuando se compara y selecciona baterías es generalmente su
capacidad y su potencia. La capacidad de una batería de arranque normal es de 56 Ah. El test C20 es el
ensayo básico de la capacidad de una batería de arranque. Este ensayo resolvió que la batería tendría que ser
capaz de mantener las luces de posición de un automóvil encendidas 20 horas, por ello para las baterías de
arranque la capacidad nominal viene dada para una descarga de 20 horas.
Las baterías estacionarias, por operar con unos regímenes de descarga mucho más lentos, tienen su
capacidad nominal para descargas de 100 horas.
La capacidad de una batería varía notablemente con el régimen de descarga y con la temperatura.
Por ello en las baterías de arranque suele darse también un dato que es la capacidad de arranque en frío
(cuanta corriente puede ser entregada durante 30 segundos a -18 C con una tensión final de mayor ó igual a
7,2 Volt).
La capacidad viene determinada por:
Cantidad de materiales activos
Número y geometría de las placas
Composición química y porosidad, etc.
Depende de:
Régimen de descargaTiempo de descarga
Voltaje de corte
Temperatura
Grado de envejecimiento
El voltaje de corte está siempre por encima del crítico inferior, que es aquel por debajo del cual la
batería sufre daños irreversibles. Por tanto hay un porcentaje de materia activa que no produce electricidad
(alrededor de un 20%) dado que la profundidad de descarga (DOD) nunca llegará al 100%. Esa materia
activa no contribuye efectivamente a la capacidad de la batería.
INFLUENCIA DEL RÉGIMEN DE DESCARGA EN LA CAPACIDAD
A elevados regímenes de descarga las baterías suministran menor capacidad. Las reacciones son más
superficiales. El ácido no penetra profundamente en la placa, por tanto podemos afirmar que en una
descarga rápida la capacidad viene limitada por la difusión iónica, mientras que en una descarga lenta está
limitada por la cantidad de materia activa.
PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA BATERÍA QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD
La capacidad total de una batería en unas determinadas condiciones viene determinada tan solo por
la cantidad de materia activa que se halla sobre las placas. Ahora bien, de su diseño dependerá como varía
con el régimen de descarga.
Podemos ilustrar esto viendo la manera en que el área de la superficie esta relacionada con la
potencia y la energía. Si llenamos una cubeta de una cantidad de gasolina y le damos fuego, veremos que
conseguimos una llama que arde durante varios minutos, dependiendo de la cantidad de gasolina utilizada.
Si vertemos la misma cantidad de gasolina en una superficie plana, ésta se quemará en unos pocos segundos.
Y, por último, si pulverizamos la misma cantidad de gasolina en un carburador, ésta se quemará en una
fracción de segundo. La misma cantidad de energía se libera en cada ejemplo.
Según esto, para conseguir que la capacidad de una batería disminuya lo mínimo en descargas
rápidas entonces debemos tener en cuenta:
La batería puede proporcionar más corriente cuanto
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 16
1. Mayor área de superficie de plomo. Las baterías cuyo diseño permita que no requieran
ser reforzadas con antimonio o calcio posibilitan utilizar plomo puro. Las placas pueden
fabricarse muy finas, con lo que el total de la superficie de plomo sea mayor. Además
claro está dependerá del tamaño de la placa.
2. Más puro sea el plomo de sus electrodos,
3. Más pequeño sea el espacio entre los electrodos. El ácido 'embebido' en las baterías
AGM la absorción del ácido por un fino separador de microfibra de vidrio, hace posible
empaquetar las placas muy apretadamente. La precisa cantidad de ácido calculada en los
separadores y el material esponjoso de la celda fomentan la reacción química.
4. Baja resistencia interna. Menor será la oposición al paso de los electrones. Esta
característica viene relacionada con las anteriores dado que depende de la pureza de los
electrodos, de su separación y área de contacto con el electrolito.
Estos diseños tienen gran importancia en las baterías de arranque por su elevado régimen de
descarga, no siendo así en las estacionarias, que el diseño se centrará en minimizar desprendimientos de
materia activa y baja corrosión entre otros, dado que la solicitación más importante es que el hecho de
trabajar durante periodos de tiempo largos con un SOC bajo. Por ello su diseño es de placas y separadores
gruesos.
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA CAPACIDAD
Las baterías no pierden su capacidad total a bajas temperaturas, pierden, sin embargo, su capacidad
de liberar la energía. Lo que sucede es que las reacciones químicas en las baterías son más lentas cuando la
temperatura baja. Por tanto a bajas temperaturas disminuye la capacidad para un determinado régimen de
descarga, pero la capacidad total permanece idéntica.
Normalmente, el tiempo utilizado para un proceso químico se multiplica por dos cada vez que la
temperatura disminuye 1OºC. Esto se puede comparar con el comportamiento del aceite con el frío. Cuando
la temperatura baja el aceite se vuelve más viscoso, y consiguientemente más denso.
Expresado en términos químicos el ácido sulfúrico (H2 S04 ) cercano al electrodo de plomo, reacciona
para convertirse en sulfato de plomo (Pb S04 ). Cuando esto ha sucedido, el ácido más lejano a los electrodos
debe de moverse hacía ellos para que se de la reacción. Este movimiento es más lento en condiciones de frío.
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 17
3.7 CARACTERÍSTICAS PROPIAS DE LOS ACUMULADORES ESTACIONARIOS
La misión de un acumulador en una instalación solar fotovoltaica es la de suministrar energía en los
momentos en que no hay incidencia luminosa sobre los paneles, o ésta es muy débil. Deben cumplir además
dos importantes funciones:
Satisfacer una elevada demanda de potencia en un breve espacio de tiempo. Es el caso de
los motores de inducción, que requieren en el arranque una punta de energía varias veces superior a
su potencia nominal, mucho mayor que la que los paneles podrían generar en las condiciones más
favorables de iluminación.
Mantener la tensión estable. La tensión de salida del panel varía según la energía incidente.
El acumulador mantiene un nivel constante del voltaje, independientemente de las variaciones de
incidencia luminosa.
RÉGIMEN DE TRABAJO
Ciclos de carga-descarga
El acumulador estacionario en una instalación fotovoltaica esta sometido a una serie de ciclos de
trabajo; cada ciclo comprende la descarga del acumulador, bajo un determinado régimen, seguido de la
subsiguiente recarga. El acumulador estacionario debe ser diseñado para soportar el máximo número posible
de ciclos carga-descarga.
Durante el día los paneles generan energía que reemplea en satisfacer los consumos; la energía
sobrante será absorbida por la batería (proceso de carga). Durante la noche, cuando el consumo es
precisamente más elevado, la energía se extrae exclusivamente de la batería (proceso de descarga). Se
completa así un ciclo diario de carga-descarga, que se irá repitiendo si las condiciones de iluminación son
favorables. Sin embargo, si se produce un período de tiempo nublado, casi todo el consumo se hace a
expensas de la energía acumulada en la batería, sin que ésta pueda recargarse, al pasar el período
desfavorable, los paneles irán recargando la batería, pero hasta llegar a capacidad plena tardarán varios días,
ya que al existir consumo, sólo una parte de la energía que producen será almacenada. De esta forma se
completa un ciclo autónomo de la batería (la demanda energética se satisface únicamente con la capacidad
útil e la batería).
Régimen de descarga
El régimen de descarga de un acumulador estacionario de aplicación solar es mucho más lento que
el de otros tipos (arranque o tracción). Por ello la capacidad de las baterías suelen venir referidas a una
descarga de 100 horas, que es aproximadamente el período mínimo de autonomía exigible. Los
acumuladores estacionarios deben tener un diseño que pueda obtener la máxima capacidad para estos
regímenes de descarga.
Profundidad de descarga
Depende de la intensidad con la que se realice la descarga en un ciclo determinado de trabajo.
Generalmente en una instalación fotovoltaica la batería se descarga cada día entre un 10 y un 30% de la
energía almacenada. La profundidad de descarga admisible no debe ser superior al 80% de la capacidad
nominal de la batería.
Trabajo en baja carga
Otra diferencia fundamental con los acumuladores empleados en otras aplicaciones es que éstos no
trabajan en baja carga; sin embargo el acumulador estacionario de uso solar puede soportar un régimen de
trabajo de varios meses sucesivos con el 30% de su capacidad y luego recuperarse totalmente una vez
cargado.
Estado de carga. Voltaje
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 18
La tensión nominal de cada elemento de un acumulador solar es de 2 V, sin embargo la tensión real
depende del estado de carga en que se encuentre. El voltaje disminuye a medida que la batería se descarga, y
aumenta cuando se está cargando, hasta llegar a un máximo.
La medida del voltaje en bornes de la batería indica su estado de carga; pero dicha medida es difícil
de obtener en la práctica se suele recurrir a medir la densidad relativa del electrolito. Como veremos más
adelante la densidad depende del estado de carga y de la temperatura.
Antes de llegar a voltaje cero, se alcanza un voltaje crítico, por debajo del cual la batería sufre daños
irreversibles si se continúa la descarga.
Vida útil
La vida de servicio de una batería no se mide en años, sino por la cantidad de ciclos de carga-
descarga que es capaz de realizar. Así, si se la somete a un régimen de trabajo de muchos ciclos diarios,
probablemente sólo durará unos meses, mientras que si el régimen es de un ciclo al día o incluso más lento –
como ocurre en el caso de iluminación de viviendas con energía solar- la batería puede durar más de 10
años.
Hay que considerar también la profundidad de descarga media que se produce en cada ciclo. Si
dicha descarga es moderada, y sólo ocasionalmente se alcanza una profundidad elevada, el número de ciclos
que soportará la batería será elevado. A medida que la sometemos a descargas más profundas, el número de
ciclos que podrá realizar, y por tanto su vida útil, irá disminuyendo. La profundidad máxima para el
acumulador de plomo ácido es del 80%.
Otro factor que afecta a la vida de una batería es la temperatura. Este factor se analizará más
adelante.
Autodescarga
Consiste en la pérdida de capacidad de una batería causada por fenómenos electroquímicos internos
que tienen lugar en condiciones de circuito abierto, es decir, sin carga conectada e la batería. Esta situación
no es usual en aplicaciones fotovoltaicas.
La autodescarga hay que considerarla como un consumo adicional, que demanda un cierto
porcentaje de la energía almacenada. Su valor característico ronda el 0,5-1% diario.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Capacidad
total
autodescarga
capacidad disponible
capacidad no utilizable
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 19
3.8 TEORÍA DE OPERACIÓN DE LA BATERÍA DE PLOMO ÁCIDO
La reacción global como ya vimos en apartados anteriores se caracteriza por la siguiente expresión:
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + Pb + 2H2SO4
Durante la carga el sulfato de plomo de ambos polos y el agua son recombinados electro
químicamente a plomo, óxido de plomo y ácido sulfúrico por una fuente externa de corriente eléctrica.
En la descarga el óxido de plomo y el plomo reaccionan con el ácido sulfúrico para generar sulfato
de plomo, agua y energía eléctrica.
Durante la carga también se produce otro importante fenómeno: la recombinación de oxígeno, se
genera oxígeno e hidrógeno que se recombinan para formar agua. Si la generación de gases es muy rápida
puede exceder la capacidad de recombinación. La válvula se abrirá para dejar escapar el exceso de gas.
El electrolito cambia de densidad en función del estado de carga
CARGA
La carga es el proceso por el cual la batería almacena energía eléctrica al paso de una corriente
directa por transformación en energía química. Cuando la carga se realiza a una intensidad constante, ésta se
caracteriza por un aumento del voltaje en los terminales de la batería y un aumento del estado de carga
definido como la relación entre la cantidad de carga disponible en un determinado instante y la cantidad de
carga disponible cuando la batería está plenamente cargada. También se observa un aumento de densidad
del electrolito. También debe notarse que el voltaje de carga es superior al voltaje de circuito abierto
(Vcarga=V0 + I*Rint)
H+
H2O
e-
PbSO4
PbO2
H+
PbSO4
H2SO4
Pb
+ - Carga
2,5 V
2 V horas
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 20
Durante la carga a tensión constante, la corriente aceptada por la batería va disminuyendo, a medida
que la tensión y el estado de carga de la batería se incrementan. La batería estará completamente cargada
cuando el valor de la corriente se estabilice en un nivel muy bajo. Podemos diferenciar tres zonas durante la
carga:
1.- El voltaje de carga va aumentando de forma suave y lineal. En esta primera etapa de la carga,
toda la corriente a través de la batería se utiliza para restablecer los materiales activos de acuerdo con la
reacción redox global.
2.- A partir de un instante se observa que el voltaje experimenta una subida brusca . En esta
segunda etapa de la carga se superponen dos fenómenos. Por un lado siguen transformándose los materiales
activos de acuerdo con la reacción redox global y por otro lado, según progresa el proceso de carga las
cantidades de material activo empiezan a escasear y parte de la corriente que llega a la batería se invierte en
la hidrólisis del agua de la disolución del electrolito. La reacción se caracteriza como sigue:
Cátodo: 2 [ 2 e- + 2 H2O H2(G) + 2 OH- ]
Ánodo: 2 H2O O2(G) + 4 H+ + 4 e-
Global: 6 H2O 2 H2(G) + O2(G) + 4 H+ + 4 OH-
Los iones hidrogeno e hidróxido producidos se neutralizan entre si y el cambio neto es:
2 H2O -electrólisis- 2 H2(G) + O2(G)
es meramente la electrólisis del agua. En el transcurso de la electrólisis, el ión hidrógeno se aleja del
ánodo, de donde se produce, hacia el cátodo. En forma similar, los iones hidróxido se mueven hacia el
ánodo. Estos iones se neutralizan entre si en la solución entre los dos electrodos.
Este fenómeno se denomina gaseo y el voltaje al que empieza a manifestarse se llama voltaje de
gaseo Vg. La resistencia interna de la batería sube rápidamente.
3.- En un determinado momento el voltaje alcanza un valor estable. En esta tercera etapa de carga,
los materiales activos se han agotado y toda la corriente que llega a la batería se emplea en la hidrólisis del
agua de la disolución. Este voltaje que alcaza la batería se llama voltaje final de carga Vfc
En este instante se debe finalizar la carga, de lo contrario la batería entrará en sobrecarga,
perdiéndose electrolito por el escape de gases. Además el hidrógeno es un gas explosivo en proporciones
superiores al 4% en el aire. La reacción de hidrólisis va acompañada con generación de calor. Por tanto la
sobrecarga también implica el calentamiento del electrolito. A mayor temperatura del electrolito, mayor
cantidad de corriente acepta la batería, por lo que se produce una realimentación del efecto que puede
destruir la batería en poco tiempo. Por tanto la sobrecarga conlleva las siguientes consecuencias:
Desprendimiento de gases
Elevación de la temperatura del electrolito
Corrosión de la placa positiva. Efecto más notable con la temperatura.
Disminución del rendimiento global carga/descarga
Pérdida de agua del electrolito
El fenómeno contrario consiste en cargar la batería a tensiones inferiores de las necesarias. Esto
implica que la batería se cargará por debajo de su capacidad total. De este modo parte del sulfato quedará
adherido a las placas. Si este hecho se repite con cierta frecuencia la capacidad de la batería puede mermarse.
A este fenómeno se denomina sulfatación.
La variación del voltaje de carga depende de la corriente y temperatura de carga del siguiente modo:
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A mayor corriente de carga mayor tensión
A mayor tª de carga menor tensión
De este modo se tiene que los voltajes de gaseo y final de carga, dependen de los anteriores parámetros.
Estratificación del electrolito
Durante el proceso de carga la densidad del electrolito va aumentando dado que aumenta la
proporción de ácido sulfúrico de la disolución. Al ir aumentando progresivamente a medida que avanza el
proceso de carga, el electrolito es susceptible de estratificarse de modo que haya una proporción mayor de
ácido en el fondo del vaso. Un gaseo moderado impide este proceso por lo que puede ser considerado
beneficioso.
DESCARGA DE LA BATERÍA
La curva de variación de la tensión a lo largo del proceso de descarga depende de los siguientes factores:
La temperatura. A medida que decrece la tª de descarga
Se reduce la velocidad de difusión iónica
Se reduce el voltaje
Menor capacidad (como ya se vio en el apartado dedicado a la capacidad)
La corriente de descarga
Cuanto más lento es el régimen de descarga, mayor es el voltaje final
VARIACIÓN DE LA DENSIDAD
A medida que se descarga una batería la densidad decrece. Una batería totalmente descargada su
electrolito es ácido sulfúrico diluido (densidad 1,05gr/cm3) y a plena carga es una disolución concentrada de
ácido sulfúrico (1,25gr/cm3). La función r=f(estado de carga)es una línea recta de pendiente negativa. Las
densidades dadas anteriormente son para una temperatura ambiente de 20ºC para otras temperaturas habrá
que aplicar correcciones a la función para que pueda ser utilizada como indicador del estado de carga.
Variación de la tensión final con el régimen de descarga
horas
volts
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 22
Debe tenerse presente que la densidad también está afectada por la estratificación del electrolito si la
hubiera.
EFECTO LA TEMPERATURA EN LA DESCARGA
A medida que decrece la tª de descarga
Se reduce la velocidad de difusión iónica
Se reduce el voltaje
Menor capacidad
En la figura puede apreciarse el efecto de la
temperatura en la tensión durante la descarga.
RÉGIMEN DE DESCARGA
Cuanto más lento es el régimen de descarga, mayor es el voltaje final
V
t
1.85
1.9
1.95
2
2.05
2.1
2.15
1,1
1,14
1,18
1,22
Carga
Densidad (20ºC)
tensión 100%
50%
10ºC
40ºC
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3.9 CARGADORES
CONSTITUCIÓN
Circuito de potencia
Transformador
Rectificador
Filtrado
Circuito de regulación y control
Controla los parámetros de carga: tensión y corriente
Adapta la intensidad al valor conveniente al estado de carga de la batería
Control de tensión e intensidad por activación de sistemas de fin de carga o cambio de
pendiente
Cargador básico en bucle abierto
corriente decreciente, dado que la intensidad va disminuyendo a medida que la tensión de
la batería va incrementándose
Cargador básico a corriente constante
El regulador de tensión mantiene constante el valor de la tensión en la resistencia, de modo
que la corriente que entra en la batería se mantiene constante
Reg tensión
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 24
Carga a corriente constante
La intensidad está regulada
La tensión en bornes es libre
Se debe monitorizar el voltaje o limitar el tiempo de carga para evitar sobrecarga
Se debe reducir el gaseo ampliando el tiempo de carga (corriente de carga reducida)
Carga a tensión constante
La tensión en bornes está regulada
La intensidad es elevada al principio de la carga
Potencia instalada alta
Carga combinada
Suele adoptarse como el método más eficaz.
Combina las ventajas de la carga a corriente
constante y a tensión constante, permitiendo una
carga suficientemente rápida y evitando el
sobrecalentamiento y gaseo excesivo propios de la
carga a I=cte.
La carga a intensidad constante suele dejar la
batería cargada al 80%, y no suele llegar a la mitad
del tiempo total de carga de la batería. El 20%
restante se carga a voltaje constante para evitar la
sobrecarga dado que la corriente de entrada a la
batería va decreciendo. Para cargar este 20% se suele
tardar más de la mitad del tiempo total de carga.
Cuando la corriente de carga se estabiliza, se deja la
batería a una tensión de flotación. La flotación
compensa las pérdidas por autodescarga
Carga a corriente pulsada
Es un sistema moderno donde el cargador emite pulsos de corriente continua. Estos pulso tienen una
amplitud elevada y su duración es variable, de modo que al llegar a la tensión de gaseo el pulso finaliza. De
horas
Amps Volts
Carga a corriente constante
Amps Volts
horas
Carga a tensión constante
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Acumulación de energía eléctrica Pág. 25
este modo cuando la batería está totalmente descargada la duración del pulso es de horas siendo una carga
semejante a la carga a corriente constante. A medida que avanza el proceso de carga, los pulsos son de
duración cada vez menor, dado que se alcanza la Vgas más rápidamente. Es un procedimiento de carga más
rápido que el de la carga combinada.
3.10 RESISTENCIA INTERNA
Es la oposición al paso de la corriente en la batería
Rtotal = Rext + Rint
Donde:
Rext es la suma de las resistencias óhmicas del circuito externo: contacto, cableado... Depende
únicamente del diseño
Rint = Rohmica + Rpolarizacion
Rohmica es la suma de las resistencias de los materiales conductores: placas, rejillas,...
Rpolarizacion resistencias debidas a procesos internos de transferencias de cargas, difusión y
concentración.
FACTORES QUE AFECTAN A LA RESISTENCIA INTERNA
Disminuye con el tamaño de la placa y con la tª (mayor actividad electrolítica)
Depende del estado de carga
o Descarga: la Rint aumenta a medida que avanza el proceso de descarga debido a:
Mayor presencia de sulfato
Escasez de materiales activos
o Carga: la resistencia sube con el estado de carga
Debido a la presencia de reacciones colaterales como el gaseo
La conclusión es que no se puede establecer una relación unívoca entre el estado de carga y la
resistencia interna de una batería.
3.11 ENVEJECIMIENTO DE UNA BATERÍA PB-AC
EFECTO DE LA PROFUNDIDAD DE DESCARGA (DOD)
DOD es el porcentaje de la capacidad que ha sido extraído. Obsérvese que no se mide en tiempo sino
en ciclos
Nº ciclos
DOD
5000
10 50
1000
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EFECTO DE LA TEMPERATURA
Cuanto mayor sea la temperatura de operación menor será la vida de la batería debido a que las
reacciones químicas de degradación son más rápidas. En general un incremento de 10ºC supone una
reducción de la vida al 50%
MECANISMOS DE DEGRADACIÓN Corrosión externa de los terminales.
Estratificación
Debido al progresivo cambio de densidad durante la carga se puede producir este
fenómeno ya comentado en apartados anteriores. Como consecuencia hay una mayor
concentración de ácido en el fondo, de modo que la reacción se produce de forma
desigual en la placa, pudiendo ocurrir que en la misma placa haya zonas descargadas y
otras en sobrecarga.
Corrosión interna de las rejillas
Se produce durante la sobrecarga. Los subproductos de la corrosión se depositan en el
fondo.
Excesivo gaseo
Provoca la pérdida de electrolito y corrosión en la placa positiva.
Sulfatación
Aparece cuando la batería está operando en estados parciales de carga durante un
tiempo prolongado. El sulfato forma grandes cristales insolubles (depósitos azul-
verdoso) muy característicos.
Depósitos de materia activa
La pérdida de adherencia de la materia activa se produce por operar a bajos SOC. Como
consecuencia de violentos gaseos se desprende la materia activa, que forma depósitos en
el fondo de color metálico brillante perdiéndose la materia activa de forma irreversible.
En casos extremos los depósitos pueden cortocircuitar las placas provocando la muerte
de la batería.
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