¿Por qué fallan las baterías y qué podemos hacer para prolongar su vida en servicio? (1ª PARTE)

La batería es el corazón de los sistemas de energía a pequeña escala, y uno de los equipos que mejor debemos entender para optimizar diseños de generación distribuida. Si no comprendemos en detalle los sistemas de baterías no diseñaremos convenientemente un sistema de generación distribuida y la duración de la batería se verá reducida sensiblemente.

Un banco de baterías cuando falla debe reemplazarse (en algunos países hemos encontrado que las reparan), por lo que debemos tener mucho cuidado con ella pues son equipos costosos.

Para que nos hagamos una idea de cómo carga una batería, pensemos que con 10 litros de diesel ( = 8.4 kg) y un generador diesel podemos cargar una batería de 24 V 700 Ah (contenido de energía 24 X 700 = 16.8 kWh). Tal batería tiene un volumen de unos 300 litros y pesa unos 670 kg. Estos datos permiten también hacernos una idea del ahorro que conseguiremos si cargamos las baterías usando energías alternativas como la solar fotovoltaica.

Otra particularidad de las baterías es que son muy vulnerables. Son sensibles a las sobrecargas, descargas excesivas, descargas demasiado profundas, carga demasiado rápida, temperatura excesiva…Todas estas condiciones pueden tener consecuencias desastrosas para las baterías.

LA QUÍMICA DE LA BATERÍA

Si entendemos bien los procesos químicos que tienen lugar durante la carga y descarga de una batería podremos diseñar instalaciones de mayor duración y prevenir el fallo anticipado de la batería.

¿Qué ocurre en una celda cuando se descarga?

Cuando una celda se descarga se forma sulfato de plomo tanto en las placas positivas como negativas a través de absorción de ácido del electrolito. La cantidad de electrolito en las celdas quedan sin cambio. Sin embargo, el contenido de ácido en el electrolito se reduce, algo observable por el cambio de la gravedad específica.

¿Qué ocurre durante la carga?

Durante la carga el proceso se invierte. En ambas placas se libera ácido, mientras que la placa positiva se convierte en óxido de plomo y la placa negativa en plomo esponjoso como poroso. Una vez se ha cargado la batería ya no puede acumular más y cualquier energía añadida es usada para descomponer el agua en gas hidrógeno y gas oxígeno. Esto es una mezcla extremadamente explosiva y explica por qué la presencia de una llama abierta en la vecindad de una batería durante la carga puede ser muy peligroso. Es por lo tanto necesario asegurar que el compartimento de una batería tiene ventilación efectiva.

El proceso de difusión

Cuando se descarga una batería, los iones tienen que moverse a través del electrolito y a través del material activo de las placas que entran en contacto con el plomo y óxido de plomo que aún no se han convertido químicamente en sulfato de plomo. Este movimiento de iones a través del electrolito se llama difusión. Cuando la batería se carga tiene lugar el proceso inverso. El proceso de difusión es relativamente lento y la reacción química tendrá primero lugar en la superficie de las placas, y más tarde (y más lentamente) profundamente en el interior del material activo de las placas.

Vida de servicio

Dependiendo de la construcción y uso, el rango de vida de servicio de la batería va desde unos pocos años hasta 10 años o más. Los principales motivos del envejecimiento de las baterías son:

• Desmenuzado del material activo: Este fenómeno ocurre principalmente por estar sometida la batería a ciclos intensivos (= carga y recarga). El efecto de la transformación química repetitiva del material activo sobre las placas tiende a reducir la cohesión, y el material activo cae de las placas y se deposita en el fondo de la batería.

• Corrosión de la placa positiva: Tiene lugar mientras la batería se va cargando, especialmente al final del ciclo de carga cuando el voltaje de la batería es alto. Se trata de un proceso lento pero continuo que tiene lugar cuando una batería está en flotación. La oxidación incrementa la resistencia interna y, finalmente, origina la desintegración de las placas positivas.

• Sulfatación: Los fenómenos anteriores no pueden prevenirse cuando la batería envejece, pero la sulfatación no tendrá lugar si la batería está bien cuidada. Cuando una batería se descarga la masa activa de las placas positiva y negativa se transforma en pequeños cristales de sulfato. Cuando se dejan descargadas, estos cristales tienden a crecer y endurecerse y forman una capa impenetrable que no puede convertirse en material activo. El resultado es que decrece la capacidad de la batería hasta que se inutiliza.

TIPOS DE BATERÍAS PLOMO – ÁCIDO

En muchas ocasiones los vendedores de baterías usan denominaciones particulares que poca información nos dan. Lo importante es la tecnología utilizada en las baterías, de las cuales hacemos a continuación un breve resumen.

1) Plomo-antimonio y plomo-calcio

El plomo es aleado con el antimonio (con la adición de algunos otros elementos tales como selenio o estaño en pequeñas cantidades) o con calcio para hacer el material más duro, más duradero y más fácil de procesar. Para el usuario es importante conocer que comparadas a las baterías plomo-calcio, las baterías aleadas con antimonio tienen una mayor tasa de auto-descarga interna y requieren un voltaje de carga mayor, pero también soportan un gran número de ciclos de carga-descarga

2) Electrolito húmedo, inundado, gel o AGM

El electrolito en una batería puede ser un líquido (baterías húmedas o inundadas), estar formado por un gel o absorbido por un material microporoso (baterías AGM).

Cuando la batería está completamente cargada las baterías húmedas o inundadas comienzan a gasificarse, lo cual da como resultado que el agua se descompone en gas oxígeno o hidrógeno.

En las baterías con electrolito gel o AGM el gas se forma en las placas positivas desde donde migra a las negativas donde, después de una complicada reacción química, se recombina con hidrógeno para formar agua. Ningún gas escapará de la batería. El gas hidrógeno se forma solamente si el voltaje de carga es demasiado alto. En caso de que el voltaje de carga sea excesivo gas hidrógeno y oxígeno escaparán a través de la válvula de seguridad. Estas baterías también se llaman baterías VRLA (Valve Regulated Lead Acid).

3) Baterías de automóvil de placa plana (inundada)

Esta es la batería usada en vehículos, y no es conveniente en descargas profundas frecuentes porque sus placas son delgadas con una gran superficie – diseñada específicamente para corrientes de descarga de corta duración (motor de arranque). Las baterías de arranque para vehículos pesados se emplean en muchos lugares como baterías de uso en viviendas pero su duración es muy corta.

4) Baterías de semi-tracción de placa plana (inundada)

Esta batería tiene las placas más espesas y mejores separadores entre placas para ayudar a prevenir el pandeo de las placas y el desprendimiento de material activo bajo uso cíclico.

5) Baterías de ciclo profundo o tracción

Son baterías de placa tubular o placa espesa. Se usan por ejemplo en carretillas elevadoras. Pueden descargarse hasta un 60 – 80 % cada día y volver a recargarse por ejemplo con energía solar. Son por tanto baterías destinadas a ciclos severos.

Las baterías de ciclo profundo deben cargarse, al menos de vez en cuando, con un voltaje relativamente alto. Cómo de alto depende de los detalles químicos y constructivos y del tiempo de carga disponible.

El voltaje de carga alto es necesario para reconvertir todo el sulfato en material activo, y ayudar a prevenir la estratificación del electrolito. El ácido sulfúrico producido en la batería cuando se carga tiene más densidad que el agua y tiende a estar en mayor concentración en el fondo de la batería que en la parte superior. El gas generado durante la carga remueve el electrolito y asegura que se mezcle nuevamente.

Para que el electrolito se mezcle bien en una batería de placa tubular, se necesita más generación de gas que en una batería de placa plana.

Las baterías de placa tubular son extremadamente robustas y aceptan un gran número de ciclos de carga-descarga. Es un excelente sustituto de bajo coste para las baterías de gel o AGM.

Baterías de gel (VRLA) selladas

Aquí el electrolito es inmovilizado por un gel. Podemos mencionar por ejemplo Sonnnenschein Dryfit A200, Sportline o Exide Prevailer entre las más conocidas.

Baterías AGM (VRLA) selladas

AGM es la tecnología Absorbed Glass Matt. En estas baterías el electrolito es absorbido en una estera de fibra de vidrio entre las placas por acción capilar. En una batería AGM los gransportadores de carga, iones de hidrógeno e iones sulfato, se mueven más fácilmente entre las placas que en las baterías de gel. Esto hace que estas baterías sen más convenientes para transmitir altas corrientes de corta duración.

Batería de celda espiral sellada (VRLA)

Es una variante de la batería VRLA AGM. Cada celda consiste en una placa negativa y otra positiva en espiral, alcanzando por tanto mayor rigidez mecánica y una resistencia interna extremadamente baja. La batería de la celda de espiral puede transmitir corrientes de descarga muy altas, aceptar corrientes de recarga muy altas sin calentamiento y son además baterías muy tolerantes con el voltaje de carga.

Continua en 2ª PARTE