Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico. La batería

Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico. La batería

Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico. La batería del vehiculo electrico

No cabe ninguna duda de que el vehículo eléctrico es el futuro a medio-largo plazo de la movilidad mundial. El aumento de la concienciación ecológica y la aceptación de que el cambio climático es un hecho aceptado por la gran mayoría, han acelerado la transición de los combustibles fósiles a energías más limpias y renovables que no causan un impacto tan perjudicial en el planeta.

El vehículo eléctrico debe integrarse dentro de la arquitectura eléctrica de un país. Al conectarse  a la red eléctrica mediante conexiones inteligentes, el vehículo eléctrico puede conseguir:

1. 1. que se aplane la curva de demanda de esta energía.
   2. que se puedan utilizar y almacenar de forma más eficiente las energías renovables como la eólica. Las baterías de estos vehículos, al estar conectados, pueden formar una enorme red de acumuladores de energía, que luego se puede devolver a la red en horas de mayor demanda

Desde el principio, el gran reto que han debido solucionar los vehículos eléctricos es como aumentar su autonomía. Para ello necesitan sistemas de acumulación de energía eléctrica capaces de proporcionar dicha energía necesaria para su funcionamiento mientras no estén conectados.

Los sistemas de acumulación de energía de estos automóviles son los siguientes:

• • Baterías
  • Condensadores
  • Volantes de inercia
  • Pila de combustible

Las baterías. Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico

ÍNDICE

1. 1. Concepto de batería recargable
   2. Tecnología actual de baterías para vehículos eléctricos
   3. Baterías recargables

1- Concepto de batería recargable

Las baterías secundarias o recargables se utilizan en múltiples aplicaciones. Las más habituales son las aplicaciones de arranque de vehículos con motor de combustión, asistencia a la potencia variable en vehículos híbridos, equipos de tareas logísticas y de Manutención como carretillas eléctricas y sistemas de alimentación de potencia para situaciones de emergencia y de reserva.

Las baterías secundarias de tamaños reducidos también tienen cada vez más importancia en dispositivos eléctricos portátiles como herramientas, juguetes, iluminación y aparatos electrónicos como los fotográficos, las radios y, sobre todo, la electrónica de consumo (ordenadores, videocámaras, teléfonos móviles).

Con la aparición de esfuerzos renovados a nivel mundial para el despliegue de vehículos limpios en recorridos urbanos e interurbanos cortos, se han puesto en marcha importantes programas de desarrollo con el objetivo de mejorar el rendimiento de los sistemas de baterías existentes y desarrollar nuevos sistemas que cumplan las estrictas especificaciones de estas nuevas aplicaciones, que se pueden resumir en los siguientes aspectos:

• • Incrementar la eficiencia energética del vehículo.
    

    Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico. Batería hermetica

  • Promover el cambio de los combustibles actuales por otros más limpios como la electricidad.
  • Disminuir las emisiones de los vehículos y su impacto en el medio ambiente.
  • Mejorar la seguridad y las prestaciones eléctricas de las baterías.

Evolución

Las baterías secundarias existen desde hace más de 100 años. En 1859, planté fabricó las primeras baterías de plomo-ácido. Sigue siendo la batería más utilizada, aunque con numerosas modificaciones y mejoras en su diseño, relacionadas con la aplicabilidad de las mismas (energía de reserva o emergencia y funcionamiento en ciclos continuos de carga y descarga).

Baterías de Níquel

Existe una tecnología de baterías de mayores prestaciones a las baterías de plomo-ácido, basadas en el electrodo positivo de Níquel. Las primeras fueron las de Níquel-Cadmio de placas de bolsa, que se fabrican desde 1909 e inicialmente se utilizaban para aplicaciones de uso industrial.

Los diseños de placas sinterizadas, importantes en la mejora de la capacidad de potencia y de densidad de energía, abrieron el mercado de esta tecnología al arranque de motores de aeronaves y aplicaciones para comunicaciones en la década de 1950.

Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico. Batería de níquel-hidruros

Más tarde, el desarrollo de la batería sellada de Níquel-Cadmio llevo a que se extendiera su uso en aplicaciones portátiles. El dominio de esta tecnología en el mercado de los dispositivos portátiles recargables fue suplantado por el sistema Níquel-hidruros en la década de los noventa, por su mayor energía específica y densidad de energía frente al Níquel-Cadmio tradicional.

La energía específica y Densidad de energía de las baterías recargables de Níquel-Cadmio no tuvieron mejoras significativas durante la última década del siglo pasado, y actualmente se encuentran en 35-50 Wh/kg y 100-120 Wh/l respectivamente.

Mediante el uso de nuevas aleaciones para almacenamiento de hidrógeno, se ha obtenido un mejor rendimiento de las baterías de Níquel-hidruros metálicos, que suministran 75 Wh/kg y 240 Wh/l, y que se constituyeron desde entonces en la batería preferida por los constructores de vehículos híbridos, constituyendo en la actualidad el 90% de este mercado.

Baterías de Litio-ión

En la actualidad, la batería de Litio-ión representa la tecnológica más implantada en equipos eléctricos y electrónicos pequeños y se proyecta como la firme candidata a ocupar un lugar de relevancia en el mercado del vehículo eléctrico a medio plazo.

Esto se debe a que a principios de este siglo, tuvo lugar una importante mejora en los sistemas de Litio-ión gracias al uso de diversos materiales basadas en el grafito, para el electrodo negativo, con una capacidad específica mucho más elevada.

Estas baterías suministran actualmente una energía específica de 150 Wh/kg y una densidad de energía de 400 Wh/l, en los modelos cilíndricos utilizados para las aplicaciones electrónicas de consumo y para diversos modelos de vehículos eléctricos.

Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico. Batería de litio-ion

2-Tecnología actual de baterías para vehículos eléctricos

Batería coche eléctrico. Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico

Que la batería es un elemento fundamental en un coche eléctrico es algo que nadie duda. Tanto es así que son los avances en este campo los que marcan el devenir de los vehículos enchufables, algo lógico si se tiene en cuenta que todo el proceso de desarrollo de un eléctrico (desde su diseño hasta sus prestaciones) gira entorno a la batería.

Entre los grandes retos de los fabricantes está desarrollar baterías de pequeño tamaño, gran potencia y capacidad de almacenamiento, pero también fáciles de reciclar una vez ha finalizado sus vida útil.

A tener en cuenta en una batería

Hay cinco aspectos que determinan las características de una batería:

• • Densidad energética. Se expresa en Wh/kg (Watios-hora por kilogramo) y es la cantidad de energía que es capaz de almacenar en relación a su peso. Es el parámetro que más influye en autonomía y prestaciones.
  • Potencia. Se expresa en W/kg y es la potencia que puede proporcionar cada kilo de peso de la batería.
  • Eficiencia de carga/descarga. Es la relación entre la energía introducida durante la recarga y la que realmente entrega.
  • Ciclos de vida. Las baterías pierden capacidad a medida que se recargan.
  • Velocidad de recarga. Es el tiempo que necesita una batería para recuperar toda su energía.

Tipos de batería para coches eléctricos: el presente

• • Baterías Ni-MH. Utilizan un ánodo de oxihidróxido de níquel (NiOOH) y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Tienen un densidad de energía de hasta 100 Wh/kg. Su uso se ha restringido a coches híbridos pues tienen una longevidad muy alta, pero no son tan eficientes.
  • Baterías de ión-litio. Son las baterías más utilizadas porque concentran una alta densidad energética (de más de 250 Wh/kg) en poco espacio y peso. En coches eléctricos es habitual renunciar a algo de densidad a cambio de conseguir más durabilidad, más velocidad de carga y más ecología a la hora de reciclarlas. Las baterías de ión-litio son las más utilizadas y las que más mejoras pueden ofrecer a corto plazo. El esquema químico más utilizado es electrolito de iones de litio, ánodo de grafito y cátodo de óxido de cobalto, trifilina u óxido de manganeso; pero ya es posible encontrar variantes de litio-níquel-manganeso-cobalto.
  • Batería LIFEPO4. Es un tipo de batería de ión-litio con la diferencia de que no usa cobalto. Por eso dicen que es más estable y segura.
  • Batería Polímero de litio. Otra variación de las ión-litio que cuenta con algunas mejoras como una densidad energética mayor y una potencia más elevada. Son ligeras, eficientes y no tienen efecto memoria.

Tipos de baterías para coches: el futuro

Mejorar las baterías son el gran reto de los fabricantes que apuestan por la electromovilidad. Son muchos los proyectos e ideas en desarrollo, pero hay dos que parecen tener más probabilidades, eso sí, a medio plazo:

• • Batería de aluminio-aire. Pueden multiplicar por 10 la capacidad de almacenamiento de las de ión-litio, pero todavía arrojan problemas de recarga y no son del todo fiables. No se pueden recargar, por lo que habría que sustituirla por otra nueva una vez agotada la reserva de energía. Eso sí, prometen hasta 1.600 kms de autonomía.
  • Baterías de estado sólido. Son una evolución de las baterías de litio pues funcionan igual que estas pero el electrolito en lugar de estar en estado líquido como en estas se ha solidificado.

3- Baterías recargables

Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico

Un vehículo eléctrico se alimenta de la electricidad almacenada en grandes baterías recargables, que permite su funcionamiento con cero emisiones en su punto de uso y sin apenas ruido, excepto el producido por los neumáticos. En la última década hemos asistido a una mejora de las baterías:

• • reduciendo su coste y permitiendo más ciclos de carga
  • aumentando la capacidad de almacenamiento por unidad de peso y volumen,
  • se ha eliminado el efecto memoria
  • y ha aumentado su duración.

La mejora de las baterías va a continuar, y un día sí y otro también se anuncian nuevas baterías con nuevos materiales que mejoran las prestaciones de las ya existentes, y cada vez más empresas se lanzan a un sector que se prevé con un brillante futuro, porque las baterías sustentan y hacen posible los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles y múltiples aparatos de consumo, y la electrificación del transporte por carretera hoy es ya más que una mera posibilidad.

El motor eléctrico aprovecha la energía de los frenados, que normalmente se perderían a través de la disipación del calor y la fricción, mejorando notablemente la eficiencia de los vehículos tradicionales, lo que lo hace ideal para los desplazamientos urbanos. Al tener menos partes mecánicas, sus costes de operación son inferiores.

El coste del kilómetro recorrido por un vehículo eléctrico, por primera vez en la historia, es igual o inferior al de este mismo kilómetro en un automóvil convencional de gasolina o gasóleo, lo que sienta las bases para iniciar un proceso de electrificación del transporte por carretera, proceso que va a ser largo y no exento de dificultades, y va a requerir imaginación, voluntad y constancia para plasmarlo, pero sin duda merece la pena, porque es una opción con muchos dividendos.

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Los vehículos eléctricos pueden tener sólo un gran motor eléctrico conectado a la transmisión, o varios pequeños motores en cada una de las ruedas. Estos vehículos eléctricos con sólo un motor se adaptan mejor al diseño tradicional y permiten un motor más potente, pero presentan algunas pérdidas de eficiencia a través de la fricción. Los vehículos eléctricos con motores en los neumáticos evitan muchas de las pérdidas de transmisión frente a un único motor, pero en la actualidad son más apropiados para pequeños vehículos, debido a la necesidad de mayor potencia de los vehículos grandes.

Las baterías se alimentan de electricidad, que puede producirse de múltiples maneras, y su impacto fundamental es el de la propia generación de electricidad. Pueden recargarse en las horas valle, de menor demanda, e incluso en un futuro deberían verter electricidad a la red en horas punta de máxima demanda (VG2).

La red de distribución existe, a diferencia del hidrógeno, y la infraestructura básica podría construirse en poco tiempo y sin grandes dificultades. Pero también hay importantes desventajas e inconvenientes. En primer lugar la capacidad y el coste de las baterías. Las baterías de ión-litio mejoran la capacidad y la autonomía de los vehículos, pero son costosas.

Otros inconvenientes son las limitaciones de tamaño y prestaciones de los vehículos eléctricos, el tiempo de recarga de las baterías, la ausencia actual de puntos de recarga o de cambio de baterías, y los cambios que deberían producirse en la generación de electricidad y en la red de distribución. No obstante, las ventajas económicas, políticas, sociales y ambientales a medio y largo plazo son muy superiores.

Tipos de baterías

La clave del futuro del vehículo eléctrico es la batería recargable, a la que se ha dedicado un esfuerzo muy pequeño de investigación, en relación con otras tecnologías: la capacidad de almacenamiento se ha duplicado cada diez años, cifra que palidece ante el desarrollo de la informática u otras tecnologías.

Sólo en los últimos años, con el desarrollo de la telefonía móvil, se ha empezado a realizar inversiones importantes, aceleradas con la prevista generalización del automóvil eléctrico.

El coste de un vehículo eléctrico o de un híbrido enchufable depende de la batería en un porcentaje determinante. El tipo y la capacidad de la batería condicionan la velocidad máxima, la autonomía entre recargas, el tiempo de recarga y la duración de la batería. Los precios de las baterías se han reducido en los últimos años, y lo harán aún más a medida que aumente la demanda y se produzcan en grandes series.

Tipos de baterías

Principales tipos

• Plomo-ácido:

Los acumuladores de plomo-ácido son las más antiguas y tienen una baja relación entre la electricidad acumulada con el peso y el volumen. Ocupan mucho espacio y pesan mucho, pero son duraderas y de bajo coste, y su tasa de reciclaje supera el 90%. Para conseguir una autonomía de 50 km con una velocidad punta de 70 km/h se necesiten más de 400 kg de baterías de plomo-ácido. El periodo de recarga puede oscilar entre 8 y 10 horas.

• Níquel Cadmio (NiCd):

Utilizan un ánodo de níquel y un cátodo de cadmio. El cadmio es un metal pesado muy tóxico, por lo que han sido prohibidas por la Unión Europea. Tienen una gran duración (más de 1.500 recargas) pero una baja densidad energética (50 Wh/kg), además de verse afectadas por el efecto memoria.

• Baterías de Níquel-Hidruro Metálico (NiMH):

Las baterías recargables de níquel hidruro metálico es muy similar a la de níquel cadmio, pero sin el metal tóxico, por lo que su impacto ambiental es muy inferior. Las baterías recargables de níquel hidruro metálico almacenan de 2 a 3 veces más electricidad que sus equivalentes en peso de níquel cadmio, aunque también se ven afectadas por el efecto memoria, aunque en una proporción menor. Su densidad energética asciende a unos 80 Wh/kg.

• Iones de litio (Li-ion):

Las baterías de iones de litio deben su desarrollo a la telefonía móvil y su desarrollo es muy reciente. Su densidad energética asciende a unos 115 Wh/kg, y no sufren el efecto memoria. Las baterías de iones de litio se usan en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, reproductores de MP3 y cámaras, y probablemente alimentarán la siguiente generación de vehículos híbridos y eléctricos puros conectados a la red. A pesar de sus indudables ventajas, también presentan inconvenientes: sobrecalentamiento, alto coste y, sobre todo, las reservas de litio, sujetas a una gran controversia.

• Baterías de polímero de litio:

Es una tecnología similar a la de iones de litio, pero con una mayor densidad e energía, diseño ultraligero (muy útil para equipos ultraligeros) y una tasa de descarga superior. Entre sus desventajas está la alta inestabilidad de las baterías si se sobrecargan y si la descarga produce por debajo de cierto voltaje.

• Baterías Zebra (NaNiCl):

Una de las baterías recargables que más prometen son las conocidas como Zebra. Tienen una alta densidad energética, pero operan en un rango de temperaturas que va de 270ºC a 350ºC, lo que requiere un aislamiento. Son apropiadas para autobuses. En Stabio, en el sur del canto del Tesino (Suiza), se está construyendo una fábrica para producir baterías en serie. Entre sus inconvenientes, además de la temperatura de trabajo, están las perdidas térmicas cuando no se usa la batería. El vehículo eléctrico Think City va equipado con baterías Zebra Na-NiCl de 17,5 kWh.

Consideraciones

Batería de coche eléctrico. Acumuladores de energía en el vehículo eléctrico

La distancia que un vehículo eléctrico puede recorrer sin recargar la batería, en los modelos actuales o de próxima fabricación, va de 60 a 500 kilómetros. Hay que tener en cuenta que la mayor parte de los desplazamientos diarios son inferiores a los 60 km. Un vehículo eléctrico consume de 0,12 kWh a 0,30 kWh por kilómetro; para recorrer 100 kilómetros haría falta una batería con una capacidad de 12 kWh a 30 kWh, dependiendo del modelo.

Aunque el mercado de los vehículos eléctricos está desarrollándose, cada marca ya tiene sus modelos. Hace tiempo que ya se comercializan bicicletas eléctricas, motocicletas, automóviles, vehículos de reparto e incluso autobuses. Durante los últimos años ha habido una verdadera eclosión, pues la totalidad de las empresas automovilísticas están desarrollando vehículos eléctricos o híbridos eléctricos con conexión a la red.

La generalización de las baterías recargables debe evitar los errores del pasado. Para ello se debe considerar todo el ciclo de vida del producto, desde la extracción de las materias primas, al reciclaje o eliminación. No debemos olvidar la fabricación y la operación, evitando o minimizando en todas las fases la contaminación y el vertido, y muy especialmente de metales pesados.

Las tasas actuales de reciclaje de baterías de vehículos alcanzan o superan el 90%. Estas tasas son mucho más elevadas que las pequeñas baterías empleadas en usos domésticos (menos del 10%), y que en gran parte acaban en los vertederos. Dado que el litio es totalmente reciclable, cabe esperar que las tasas del 90% se mantengan e incluso aumenten ligeramente.

Otro de los retos que debe abordar el vehículo eléctrico es el precio de las baterías, deben bajar su precio para equipararlo al vehículo de combustión. General Motors ya ha patentado unas baterías de ión litio llamadas Ultium con la expectativa de que su desarrollo industrial permitirá reducir su coste por debajo de los 100 euros el kWh. Estas baterías reducen la necesidad de las denominada «tierras raras» para su fabricación, lo cual reduce su coste de fabricación.