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¿COMO MEJORAR EL DESEMPEÑO Y LA VIDA ÚTIL DE LAS BATERÍAS ENAPLICACIONES AISLADAS DE LA RED CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA?

Una de las grandes preocupaciones al momento de diseñar un sistema aislado, para suministro energético con Energía Solar Fotovoltaica, es lograr un diseño que garantice una larga vida útil de las baterías, que hoy día, se ha convertido en el componente más costoso de en la implementación de los sistemas, tanto en el CAPEX como en Le OPEX.

Primero que todo se debe entender que una batería es un equipo que almacena energía, sin importar la tecnología a implementar o la calidad de la misma, su objetivo es suministrar la mayor cantidad de energía a lo largo de su vida útil. Alcanzar este objetivo determina en gran medida que la inversión a realizar sea rentable.

La vida útil de las baterías en un sistema de generación con Energía Solar, se ve afectada por diferentes factores, por lo que conseguir la máxima capacidad y vida útil de las baterías, (energía suministrada por la batería) depende de:

0 Profundidad de descarga (DOD, por sus siglas en inglés): Es la medida de la cantidad de energía que se extrae de una batería, expresada en un porcentaje de su capacidad nominal. Es una medida contraria al Estado de Carga (SOC, por sus siglas en inglés), que expresa la cantidad de energía que tiene almacenada una batería. A una mayor DOD menor será la vida útil de la batería.

0 Temperatura de la Batería: La temperatura juega un papel determinante en la vida útil de las baterías, ya que las reacciones químicas al interior de la batería son exotérmicas. El electrolito frío determina una menor capacidad de la batería. El electrolito a altas temperaturas permite obtener una mayor capacidad de la batería pero reduce drásticamente su vida útil.

0 Posibilidad de Mantenimiento: Mantener las baterías con niveles de electrolito bajos o elevados (para baterías inundadas) y perfiles de carga/descarga inadecuados reducirán la vida útil de la batería rápidamente. Desde mi punto de vista, una batería que permita mantenimiento (inundada) podrá llegar a tener una más larga vida útil que una “sin mantenimiento”, por su capacidad de reponer electrolito evaporado durante su funcionamiento sin someter a la batería a procesos fuertes.

0 Estados Parciales de Carga (PSOC, por sus siglas en inglés), que es una condición que se presenta continuamente en sistemas fotovoltaicos aislados, por la imposibilidad de garantizar una carga al 100% de las baterías. Estos PSOC generan un desempeño de las baterías en estados de carga por debajo de lo ideal y por lo tanto afectan el desempeño de las baterías a lo largo de su vida útil.

0 Edad de las Baterías: Es evidente que con el paso del tiempo la materia activa de la que está compuesta una batería se va agotando.

0 Diseño (Dimensionamiento): Dimensionar la capacidad de una batería de manera incorrecta llevará a que que se trabaje a una DOD elevada y por lo tanto se reducirá la vida útil esperada.Este diseño no deben entenderse solamente como un simple balance energético, entre cargas y condiciones climáticas, sino que se debe asumir estadísticamente la variabilidad de la insolación disponible, y su correlación día a día.

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Energy for a better life

Un buen dimensionamiento del arreglo solar contará siempre con una capacidad extra, con el objetivo de optimizar la recarga de baterías durante los días soleados, manteniendo una adecuada relación entre el tamaño del arreglo y la carga. Y por otro lado un cálculo estadístico de si el arreglo solar y la batería combinados pueden suministrar energía a la carga de manera confiable y adecuada, lo que se conoce como la Probabilidad de Pérdida de Carga (LOLP, por sus siglas en inglés)

0 Uso: Tal vez el usuario, principalmente en sistemas domiciliarios o mini-redes, donde le consumo no es controlado y por lo tanto es una carga variable y dependiente de los hábitos de consumo, es uno de los factores determinantes en que las baterías cumplan con la vida útil esperada de las baterías. Controlar al máximo los hábitos de consumo, de acuerdo a los parámetros de diseño del sistema, es por lo tanto uno de los factores que pueden determinar el éxito o fracaso en la implementación de estos sistemas.

Teniendo en cuenta que más del 95% de las instalaciones a nivel mundial trabajan con baterías de Plomo Ácido (tecnologías Pb abiertas-inundadas, Gel o AGM), y a su vez, que la mayoría del mercado está dominado por la tecnología Pb abiertas-inundadas, es importante entender su funcionamiento.

¿Como trabaja una batería de Pb Ácido de Ciclo Profundo?

Una batería de plomo ácido se compone básicamente de dos placas; una positiva y otra negativa sumergidas en electrolito y su objetivo es almacenar energía para un uso futuro.

La materia activa de la placa positiva en las celdas de Plomo ácido es Dióxido de Plomo (PbO 2), mientras que la placa negativa, llamada esponja, es Plomo (Pb).

El electrolito es una mezcla de ácido sulfúrico y agua, y su función es conducir la electricidad producida en las celdas.

Una baterías convierte energía química en energía eléctrica y viceversa, por lo que es un proceso reversible, por lo menos hasta ciertos límites, cuando hay un circuito entre las placas positivas y negativas, fluye la energía en una u otra dirección.



A medida que la batería se descarga, las placas se van volviendo más similares, el electrolito se vuelve más “aguado” y el voltaje cae. Durante la carga de la batería, las placas vuelven a su estado original.

Proceso de Descarga: Consumo Conectado

El proceso de descarga de una batería comienza con una reacción química que genera energía eléctrica. Los electrones fluyen hacia fuera de la batería, del terminal negativo (-) al terminal positivo (+).

Durante este proceso el Sulfato (SO4) del Ácido Sulfúrico (H2SO4) se combina con el Plomo (Pb) en ambas placas formando Sulfato de Plomo (PbSO4). De igual forma el oxígeno del Dióxido de Plomo (PbO2), se combina con el Hidrógeno del Ácido Sulfúrico (H2SO4) para crear agua H2O.

Le voltaje cae gradualmente mientras se va descargando, la densidad del electrolito se acerca al valor de la del agua, 1,00 g/ml, obteniendo dos sustancias iguales en agua.

Proceso de Carga: Cargador Conectado

Durante el proceso de carga se convierte la energía eléctrica en energía química. Los electrones fluyen hacia dentro de la batería, del terminal positivo (+) al negativo (-).

Le Sulfato de Plomo de ambas placas (PbSO4) se descompone en Plomo (Pb) y Sulfato (SO4), y le agua (H2O) se descompone en Hidrógeno y Oxígeno. El Sulfato (SO4) se combina con le Hidrógeno para formar Ácido Sulfúrico (H2SO4).

La densidad se incrementa hasta 1,275-1,280 g/ml (En baterías Inundadas - FLA por sus siglas en inglés) o hasta


1,300 g/ml (En las selladas VRLA por sus siglas en inglés, AGM o GEL).

Le oxígeno se combina con el Plomo (Pb) para formar Dióxido de Plomo (PbO2), mientras le voltaje se incrementa gradualmente, dando por resultado dos (2) placas diferentes en Ácido Sulfúrico (H2SO4) mezcladas con agua (H2O).

¿Que se entiende por ciclos de vida útil de una batería?

Generalmente la duración de una batería se determina por la cantidad de ciclos que esta batería puede realizar durante su vida útil. Esto viene determinado por el Número de Ciclos asociado a la Profundidad de Descarga (DOD, por sus siglas en inglés) y un adecuado mantenimiento. Un ciclo es el proceso de una carga-descarga independien-temente de que la batería haya sido descargada o cargada totalmente.

Las pruebas y ensayos a las que se someten las baterías para determinar la vida útil esperada en términos de ciclos, se realizan bajo el protocolo de la norma IEC 61427. Esta norma certifica baterías para aplicaciones solares aisladas (IEC 61427-1) y para aplicaciones conectadas a la red (IEC 61427- 2), en las cuales se evalúan las condiciones que soportan las baterías en sistemas fotovoltaicos.

Los parámetros de prueba incluyen descargar en gran medida las baterías y exponerlas a una serie de ciclos superfi-ciales en diferentes estados de carga y condiciones extremas de funcionamiento.

El ensayo consiste en realizar 50 ciclos con la Fase A (bajo estado de carga) y 100 ciclos con la Fase B (alto estado de carga), denominándose esto un macrociclo, hasta llegar al final de la vida de la celda de la batería.

Para ello, se somete la batería a un estado parcial de carga (PSOC) bajo la condición de una temperatura de 40°C ± 3 constantes, evaluando la capacidad a C10. En la prueba cada macrociclo, se considera un año de ciclo de vida de la batería, la idea es determinar cuántos años puede soportar antes de alcanzar el 80% de su capacidad nominal con un promedio de DOD del 25%.




Las baterías de ciclo profundo incrementan notablemente su capacidad durante el 10 al 30% de los primeros ciclos. Al comienzo de su vida suministrarán un 75 a 80% de su capacidad total. El 100% de la capacidad será conseguida tras realizar el 20 a 30% de los ciclos totales de su vida, incluso suministrarán su capacidad pico máxima en este punto (Figura 4).

Ninguna batería que se instale en la actualidad llega al sitio de instalación totalmente cargada y suministrando su máxima capacidad, se puede decir, que una batería se termina de formar cuando se llega al 30% de los ciclos totales de su vida útil, por eso la importancia de implementar reguladores de carga e inversores que estén diseñados para realizar una carga y descarga de la batería para implementaciones aisladas, generalmente equipos de mayor calidad y precio, pero su costo se justifica porque alargan la vida útil de las baterías, y eso es más rentable que comprar equipos de baja calidad y menor precio.

Cada ciclo descargando a la misma profundidad de descarga dará un tiempo de funcionamiento distinto, por lo que sería mucho más preciso e inteligente comparar diferentes baterías no por ciclos sino por la energía que suministran a lo largo de su vida útil.

Si una batería se cicla al una DOD del 100% DOD, con el propósito inicial de “exprimirle” al máximo la energía que tiene almacenada, se perderá cerca de la mitad de la energía que la batería puede entregar si se sometiera a un ciclaje con una DOD del 50%.

De igual manera ciclar una batería al 80% de DOD se perderá al alrededor del 35% de la energía que la baterías pueden entregar trabajando al 50% DOD.

Por lo tanto, un diseño y dimensionamiento de baterías que, en promedio, no permita bajar más allá de una DOD del 50%, sería la mejor forma de aprovechar al máximo la cantidad de energía que una batería de Plomo Ácido puede suministrar y rentabilizar la inversión.

Todos los fabricantes reconocidos a nivel mundial, proporcionan el dato de la capacidad en minutos bajo la normativa BCI (Battery Council International).


Fuente Alain Perez


Esto quiere decir el tiempo que una batería es capaz de suministrar corriente de forma constante, dependiendo la selección de amperaje, antes de que la batería sea descargada al 100% de profundidad de descarga.

El 100% de descarga quiere decir que las celdas de las baterías han sido descargadas hasta alcanzar un Voltaje Final de Celda (Vfc) de 1,75 voltios por celda, 10,5V hablando en baterías de 12V nominales.

Por ejemplo, si un fabricante dice que la Capacidad en Minutos a 25Amp de descarga es de 295 minutos, quiere decir que cuando la batería está cargada y se empieza a descargar a 25Amp constantes, cuando la batería ha llegado a 1,75vpc (voltios por celda), la batería habrá entregado durante 295 minutos 25 amperios si la capacidad de la batería está al 100%.

Al principio, la batería entregará sobre un 80% de la capacidad solamente, como se expresó anteriormente, y a medida que se va acercando al final de su vida útil menos y menos del 100%.

Si una batería no es capaz de suministrar el 50% de la Capacidad en Minutos, la batería no es considerada como aceptable y se dice que su vida útil ha terminado incluso aunque pueda seguir suministrando energía, de acuerdo con el BCI.

Efecto de la Profundidad de Descarga (DOD) en los ciclos de las baterías

Con base en lo anteriormente explicado las baterías de ciclo profundo no se deberían descargar más del 50% de profundidad de descarga, con una DOD del 50% se obtendrá el máximo rendimiento de la batería, la máxima cantidad de energía. Profundidades de descarga mayores al 50% reducen la vida de la batería y por lo tanto dismi-nuyen la energía entregada por la batería, por las siguientes razones:

0 Cuanto más profundas son las descargas por ciclo, mayor es la caída de voltaje y para mantener la potencia constante mayor es la intensidad entregada por la batería, aumentado la temperatura interna y reduciendo la vida útil de la batería. Cada incremento de 10ºC por encima de los 25ºC, que es la temperatura óptima de trabajo, la vida de la batería se reduce a la mitad debido a que la corrosión se duplica.

0 Cada descarga profunda somete a las placas a un estrés que hace que las placas pierdan materia activa. Esto hace que la capacidad se reduzca cada ciclo. Trabajando de esta forma, cada ciclo va a ser más agresivo que el anterior y la profundidad de descarga mayor al reducirse la capacidad. Esto reduce la energía entregada por ciclo incrementando el coste de la batería al final de su vida útil.

0 La profundidad de descarga genera sulfatación severa en las placas. Si esta sulfatación no se rompe durante el proceso de carga, la batería perderá capacidad, haciendo que el tiempo por ciclo sea menor, y menos la canti-dad de ciclos. Esto hace que las baterías entreguen menos energía al final de su vida útil, lo que significa un incrementando del coste de las baterías.

ESTRATEGIAS PARA GARANTIZAR LOS CICLOS DE VIDA ÚTIL DE LAS BATERÍA

Con el objetivo de aumentar la vida útil de las baterías, se han venido desarrollando diferentes estrategias tanto en la fabricación de las baterías, como en los algoritmos de carga y descarga de los reguladores de carga e inversores, que están siendo fabricados realmente para ser utilizados en aplicaciones aisladas.



Fuente: Adaptación de Trojan Battery Company)


Adición de Carbón para mejorar el desempeño en condiciones PSOC

Adicionalmente a otras tecnologías en el desarrollo de placas y mejores superficies de intercambio de energía, la adición de carbón es una estrategia encaminada a mejorar el desempeño de la batería y alargar su vida útil cuando se someten a condiciones de Estados de Carga Parciales.

Las baterías de ciclo profundo utilizadas en sistemas aislados, telecomunicaciones y sistemas de respaldo son fuertemente cicladas a Estados de Carga Parciales (PSOC), y a menudo no se pueden cargar completamente en condiciones normales.

Operar a condiciones PSOC disminuye la vida útil de la batería, lo que ocasiona frecuentes y costosos reemplazos de baterías.

Durante más de cinco años de I+D, la empresa Trojan Battery Company ha desarrollado un fórmula patentada de aditivos de carbono, SmartCarbon™, diseñados para mejorar la vida útil y desempeño de sus baterías (las líneas Industrial y Premium) cuando trabajan en condiciones de PSOC.

PSOC es una realidad en la mayoría de los sistemas aislados, debido a que frecuentemente los diseños realizados, por ahorrar costos, conllevan a arreglos solares sub-dimensionados, evitando que las baterías alcancen una recarga completa. De igual manera condiciones climáticas intermitentes o emplazamiento de módulos solares en áreas con presencia de nubosidad o sombreados parciales, que afectan la capacidad de captar y almacenar sufiente energía para recargar completamente las baterías.

PSOC también se puede presentar en los sistemas de respaldo, cuando las baterías no se cargan completamente debido a que la red es inestable y con frecuentes cortes de suministro. Debido a que en estos sistemas la principal fuente de carga de las baterías es la red.

El equipo de ingeniería de Trojan, experimentó con muchos tipos de carbono en diferentes formulaciones y desa-rrollo la fórmula SmartCarbon™, que proporciona una mejora en el rendimiento de la batería cuando se opera en PSOC. Este beneficio se presenta hacia el final de la vida útil de la batería, aumentando hasta en un 15% la vida útil de la batería (Ver Figura 6)


Mientras que la mayoría de las investigaciones en aditivos de carbono se han focalizado en baterías VRLA de arranque de automotores, Trojan se enfocó en la adición de carbono para baterías de ciclo profundo para aplicaciones estacionarias, las cuales son, aún hoy día, la tecnología de baterías más utilizada en aplicaciones de energías renovables, telecomunicaciones y sistemas de respaldo, gracias a su amplia disponibilidad y precio.

Otras investigaciones, diferentes a las llevadas a cabo por Trojan, como las realizadas por la ALABC (Advances Lead Acid Battery Consortium) y BCI (Battery Council International), han encontrado que el uso de carbono en las placas negativas de las baterías reduce dramáticamente la sulfatación que producen los PSOC y que son la principal casa de reducción de la vida útil de las baterías.

Para mayor información, se pueden consultar los siguientes enlaces:a) ALABC - http://www.alabc.org/publications/vrlas-in-stationary-energy-storageb) BCI - https://c.ymcdn.com/sites/batterycouncil.org/resource/resmgr/Brochures/BCI_HEV_7-10-2012.pdf?hhSearchTerms=%22carbon%22

Ajuste Automático del Umbral de Desconexión por tensión

Esta segunda estrategia yo no es un desarrollo sobre la fabricación de las baterías, sino un desarrollo en el algoritmo que realiza el control de la descarga por bajo voltaje en los inversores (LVD, por sus siglas en inglés).

Una situación que se presenta a menudo en la operación de sistemas aislado es la de ciclar la batería entre un 0 y 30% de su capacidad nominal, siendo causa de fallos prematuros en las baterías.

El ajuste automático del umbral de desconexión por tensión, desarrollado por la empresa Suiza, Studer Innotec (BLO o Voltaje Adaptativo de Desconexión), que aumenta la tensión de desconexion LVD, obliga al usuario a adaptar su consumo de manera que se asegure una recarga completa de la batería, después de un evento de descarga profunda, alargando la vida útil de la batería. En otras palabras, este algoritmo solo permite una nueva descarga profunda de la batería, si y solo si, va precedido de una recarga completa.

Fuente Alain Perez, STUDER INNOTEC



Esto significa también que se tiene la mayor disponibilidad de la energía almacenada y que la batería está menos sujeta a una degradación prematura. Esta estrategia de restricción de uso de la batería invita al usuario a reducir su consumo.

Cuando la tensión de la batería es superior a 1.08*Unom (13V, 26V, 52V) durante 2h, el umbral de desconexión se reduce con etapas de 33mV/celda (0.4V @ 12V). Este proceso garantiza que la carga media de la batería sea suficiente (más del 50%) para asegurar una vida útil óptima de la batería.

Fuente Alain Perez, STUDER INNOTEC

Por lo tanto el Ajuste Automático del Umbral de Desconexión por Tensión, permite recuperar la capacidad de las baterías gracias a que:0 Evita sulfatación severa0 Evita corrosión0 Evita pérdida de materia activo de las placas0 Evita cortocircuitos0 Evita la reducción de tiempo por ciclo0 Evita pérdida de Energía

Finalmente, tanto para las empresas involucradas en la prestación de servicios de diseño, suministro e instalación, así como para los usuarios que, cada vez más, están migrando a modelos de consumo energético más racionales, fuentes de generación más limpias, independencia de las redes públicas de suministro y viviendas en zonas no interconectadas, al momento de evaluar la inversión y rentabilidad de su implementación, deben tener claro que una vida útil de las baterías más larga, conduce a un mayor suministro de energía durante el uso y disfrute del sistema y a pesar de realizar una inversión inicial más alta, por la calidad de los equipos, significará un ahorro en el costo de las baterías.

Debemos ser conscientes que las baterías, generalmente, no se mueren, las matamos. Una batería defectuosa, falla en los primeros días de uso, o durante los ensayos de descarga, que deberían ser obligatorios en el desarrollo de cualquier proyecto.


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El desarrollo actual del marco legislativo colombiano, que promete la integración de las FNCER en la matriz energética nacional y el desarrollo de proyectos importantes en las ZNI, es una muy buena oportunidad para implementar sistemas confiables, rentables y de alta calidad, que conlleven a modelos de negocio sostenibles e innovadores.

Daniel MedinaGerente de la División de Energías RenovablesHemeva S.A.SDirector de Relaciones InternacionalesAsociación Colombiana de Energías Renovables - ACER

Agradecimientos Studer Innotec y Trojan Battery Company, por suministrar el material base de este artículo y especialmente a Alain Pérez, Responsable Comercial para España y América Latina de Studer Innotec.


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¿COMO MEJORAR EL DESEMPEÑO Y LA VIDA ÚTIL DE LAS … · Una baterías convierte energía química en energía eléctrica y viceversa, por lo que es un proceso reversible, por lo