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PORQUE NO USAR BATERIAS

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¿ Qué baterías usar en

sistemas fotovoltaicos domiciliarios ?

Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería

Casilla 31-139 ; Lima / Perú; http:// fc.uni.edu.pe

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RESUMEN

El presente artículo pretende ayudar en la selección de una batería apropiada para un sistema fotovoltaico domiciliario (SFD) en un país de desarrollo, donde el factor económico es decisivo en la selección. Se evalúa las diferentes alternativas y se concluye en que las baterías de arranque normales y mejoradas tipo “solar” son las más convenientes, siempre y cuando se use un controlador bueno de carga y que el sistema sea correctamente dimensionado.

EL PROBLEMA

Las necesidades básicas de electricidad de una casa rural en un pais en vías de desarrollo son iluminación y telecomunicación (radio, TV). Para la iluminación se requiere 2 a 4 lámparas fluorescentes de 7 a 20 W cada una.   El consumo de electricidad resultante es típicamente 5 kWh/mes. Estas necesidades se pueden satisfacer con un “Sistema Fotovoltaico Domiciliario”, SFD, consistente en un módulo fotovoltaico de 40 - 50 Wp, en una batería (acumulador de energía eléctrica) y en un controlador de carga/descarga de la batería. El sistema trabaja normalmente a 12 V de corriente continua (CC) y solo excepcionalmente se usa inversores para corriente alterna (CA), 12 V CC / 220 V CA.

Mientras que los módulos FV de las principales marcas comerciales ofrecen hoy una alta confiabilidad con certificaciones de laboratorios de renombre y vidas útiles encima de los 20 años (los fabricantes dan garantías de 10 - 15 años), no se puede decir lo mismo de las baterías ni tampoco de los componentes electrónicos del sistema, es decir del controlador de carga y de los balastos de los fluorescentes.

Por otro lado,en el costo inicial de un pequeño sistema FV la batería puede representar de 10 - 30 %, y en el costo por kWh de electricidad usado, el porcentaje correspondiente a la batería muchas veces es mayor que el 50 % del costo total.

Por estos motivos de confiabilidad y costos, la selección de la batería para una aplicación FV específica debe realizarse cuidadosamente.

El presente artículo trata sobre las diferentes características de baterías que se pueden considerar para sistemas fotovoltaicos y pretende ayudar en la selección de una batería apropiada para un pequeño sistema FV, teniendo en mente específicamente las condiciones en la región andina (caracterizada, entre otros, por poca variación estacional de la radiación solar).

Primeramente trataremos definir: ¿qué características debería tener una batería para un pequeño sistema FV? Para poder contestar esta pregunta debemos considerar el sistema FV en su conjunto y usos típicos.

Un módulo FV de 50 Wp entrega diariamente a una batería 170 - 250 Wh de energía eléctrica, es decir 5 - 7,5 kWh / mes, en condiciones de radiaciones solares típicas de   4 - 6 kWh/m2día. En el caso usual de baterías de 12 V esto corresponde a una carga diaria de 12 - 18 Ah. Esta carga debe ser almacenada cada día en la batería para poder ser usada también diariamente. Por otro lado es deseable tener una autonomía energética de algunos días frente a una secuencia de varias días sin sol. En sistemas domésticos es recomendable una autonomía energética de 3-5 días. En otra palabras, para un módulo FV de 50 Wp se requiere una batería que tenga una capacidad de almacenar y entregar diariamente una carga de 12 - 18 Ah y que eventualmente pueda entregar una carga de 50 Ah.

Es de anotar que la capacidad de una batería depende de la temperatura y del régimen de descarga: descargando con una corriente menor, la batería puede proporcionar más carga. En aplicaciones FV la capacidad de la batería se define por su capacidad de entregar una determinada carga en 20 o 100 horas a 25 ºC, denominada C20 y C100, respectivamente. C100 es típicamente 20-30% mayor que C20 para una mísma batería. Esto debe tenerse en consideración si se compara diferentes baterías, porque la información comercial no es siempre completa al respecto.

Adicionalmente a esa capacidad mínima de carga la batería debe tener las siguientes propiedades:

- baja autodescarga (pocas perdidas de energía)

- poco o ningún requerimiento de mantenimiento (“libre de mantenimiento”)

- vida útil muy larga

- funcionamiento en diferentes climas

- alta eficiencia

- “last but not least”: bajo costo


BATERIAS DE PLOMO - ACIDO

Las baterías que se usan en sistemas FV son generalmente de tipo plomo - ácido: placas positivas de dióxido de plomo, placas negativas de plomo y ácido sulfúrico diluido como electrolito. Solamente en casos especiales se usa baterías de níquel-cadmio, que, en términos generales, son técnicamente superiores pero también tienen un costo varias veces más que una batería de plomo-ácido. Por este motivo se usa solamente baterías (acumuladores) de plomo-ácido en pequeños sistemas FV para casas rurales.

En el mercado existen diferentes tipos de baterías de plomo-ácido optimizadas para ciertas condiciones de uso. Las principales baterías de plomo-ácido a ser considerados en sistemas FV son  :

 

- Baterías de arranque de automóvil: son las baterías más comunes y más disponibles en todos los lugares. También son las baterías más baratas. En su uso común en un automóvil están cargadas casi siempre por completo. Durante el arranque del motor se consume en poco tiempo una corriente muy alta, superior a 100 A. Sin embargo, normalmente esta carga extraída de la batería es restituida rápidamente por el alternador. Solo excepcionalmente se retira un porcentaje alto de la carga, p.ej. dejando las luces prendidas algunas horas con el motor apagado. Al descargarse completamente la batería se reduce irreversiblemente la capacidad de carga de la misma .

Las baterías usuales son abiertas y tienen pocos por cientos de antimonio en la aleación debido mayormente a razones de facilidad de fabricación. Estas baterías de 6 celdas requieren un voltaje de 13.8 - 14.4 V ( a 25 ºC, - 30 mV/ºC) para ser cargadas completamente, lo que implica una gasificación, con la correspondiente pérdida de energía y necesidad de mantenimiento, completando periódicamente el agua perdida. Por otro lado dicha gasificación permite eliminar la estratificación del electrolito, que aumenta la corrosión y reduce la vida útil de la batería. Este tipo de baterías se autodescargan con un ritmo de 10 -20 % al mes. Dependiendo de la calidad de la batería, típicamente después de 30 - 60 descargas completas, la capacidad de la batería se reduce a 60% de su capacidad inicial. Se considera que las descargas mayores de 50% dañan irreversiblemente estas baterías.

Por otro lado, si se retira en cada ciclo solamente 20 % de la carga total, estas baterías pueden soportar 500 - 1000 ciclos de carga/descarga, y 1000 - 2000 ciclos de 10 % de descarga cada uno. Importante es que periódicamente la batería sea cargada completamente, sobre todo después de descargas relativamente mayores, para “igualizar” las 6 celdas de la batería y evitar sulfataciones. Para la igualización se usa voltajes de carga hasta 15 V.

Al reemplazar el antimonio por un pequeño porcentaje de calcio, lo que hace más difícil la fabricación de la batería, se elimina prácticamente la gasificación. Para cargar por completo estas baterías se puede aplicar voltajes de 16 - 17 V sin producir gasificación. Estas baterías vienen totalmente selladas, "libre de mantenimiento", teniendo un costo 1.5 - 2 veces más de lo que cuesta una batería de arranque normal. Las baterías con calcio tienen una autodescarga muy baja de 3% al mes y tambien tienen una buena eficiencia de carga de 90 - 97%, pero no aguantan descargas profundas, como es el caso de las baterías abiertas y con antimonio en la aleación. Por ese motivo las baterías con calcio son definitivamente inapropiadas para SFD.

 

- Baterías de tracción: tienen mayor costo y son diseñadas para operar con ciclos de descarga profunda tal como se requiere en un auto eléctrico con ciclos típicos de carga/descarga diarios. Estas baterías, que poseen placas con una aleación de alto contenido de antimonio
(4 -10%), tienen una autodescarga relativamente grande y una eficiencia de carga baja, ya que requieren periódicamente sobrecargas de 20% con gasificación para evitar sulfatización; requieren asimismo regularmente mantenimiento, pero resisten muchos ciclos de descarga profunda: 1500 o más ciclos con 80% de descarga.

 

- Baterías estacionarias: estas baterías con menos de 2% de antimonio y algo de selenio en la aleación tienen una construcción con planchas blindadas ("tubulares") y cuestan 3-6 veces más que las baterías de arranque comunes. Tienen una autodescarga menor de 3%, una eficiencia de 95-98% y una vida hasta 15-20 años, permitiendo 1300-1500 ciclos de 80% de carga/descarga, o 4500 ciclos de 30%. Son usadas en instalaciones grandes. Pueden tener el electrolito gelificado, ser selladas y aptas para ser colocadas en cualquier posición, sea vertical u horizontal.

 

- Baterías "solares": con este nombre se ofrece hoy en el mercado un conjunto de baterías, realmente o supuestamente adaptadas a los requerimientos de un sistema FV. Generalmente se trata de baterías que por su geometría y materiales usados buscan hacer un compromiso entre costo, vida útil (numero de ciclos de carga/descarga) y libre de mantenimiento. Pueden ser selladas o abiertas.

Las baterías solares más usadas son las de tipo arranque mejorado que tienenplacas más gruesas, más electrolito etc. No son selladas y requieren un mantenimiento bajo de más o menos 1 - 2 veces por año. Permiten un número de 1000 - 2000 ciclos de carga/descarga de 15 - 20 % cada uno (manteniendo permanentemente el 80-85% de la carga total) y son más resistentes a las descargas de 50 % que las baterías normales de arranque.

En relación a las baterías solares selladas hay que notar que, por un lado, estas baterías son menos resistentes a las descargas profundas que las baterías similares abiertas (debido al calcio en las placas) y, por otro lado, no son recomendables para aplicaciones en SFD en climas calientes, por ejemplo, en la selva: siempre hay algo de perdida de electrolito, a pesar del “sellado” y esas perdidas son mayores a temperaturas más altas, reduciendo así la vida de la batería, por no permitir una restitución de electrolito perdido.


¿CUAL ES LA BATERIA MAS APROPIADA?

¿Cómo seleccionar de esta oferta la batería más apropiada? ¿Cuál es la mejor batería para un pequeño sistema FV rural?

Mientras que en otras aplicaciones el factor más importante puede ser la confiabilidad o el libre mantenimiento de la batería (p.ej. en telecomunicaciones), en aplicaciones rurales el factor más importante es el costo de inversión inicial y, sobre todo, el costo anualizado de la batería. Es decir: ¿cuánto cuesta la batería por año, cuánto cuesta almacenar 1 Ah ( o 1 kWh) en la batería considerando su vida útil?

En la Tabla 1 se resumen las principales características de los diferentes tipos de baterías: las descargas máximas que se pueden hacer sin dañar a la batería, y la carga que se puede almacenar en una batería durante su vida, expresada como múltiple de su carga C20. Como se puede observar, esta carga varía entre 100 y 1500 C20. En otras palabras: siempre y cuando uno no descargue una batería por debajo de un valor máximo característico de esa batería, la carga total que se puede almacenar en la batería durante toda su vida será aproximadamente constante: da lo mismo realizar 1000 ciclos de 10 % cada uno, o 500 ciclos de 20 % cada uno, o 200 ciclos de 50 % cada uno.

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Tabla 1. Descarga máxima recomendable para diferentes tipos de baterías y carga total almacenable durante la vida de la batería en múltiples de C20

tipo de batería

______________

descarga máxima en % de C20

______________

carga total almacenable durante la vida de la batería, en múltiples de C20

______________

arranque 30 -   50 100 -   200
tracción 80 – 100 800 – 1300
estacionaria 80 – 100 1000 – 1500
solar 40 -   80   150 -   300

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Para disponer de los 50 Ah requeridos en un SFD se puede usar una batería que permita descargas completas, con una capacidad total de 50 Ah, descargándola diariamente 12-18 Ah, equivalente a 24 - 36% de su carga total, y descargándola eventualmente por completo. Alternativamente se puede usar, por ejemplo, una batería de una capacidad de 150 Ah que permita descargas de 33%, descargándola diariamente 8-12%. De estas dos alternativas, se escogerá la que sea más barata para un SFD en un país de desarrollo.

En la Tabla 2 se presenta ejemplos típicos validos en el Perú (y seguramente en muchos otros países en desarrollo). Se indica el precio de compra de una batería con la capacidad C20 requerida para un SFD y un rango de vida útil que se espera de las respectivas baterías, en base a diversas experiencias. Las vidas más largas indicadas para cada tipo de batería, suponen que el SFD tenga un buen regulador de carga, adaptada a la batería usada. Para el calculo de costo anual y el costo por kWh de energía almacenada, se consideró un interés anual de 18 %, típico en el Perú para prestamos comerciales.

En el calculo de $/kWh de la Tabla 2 se ha supuesto que toda la energía disponible, según el nivel de radiación solar del lugar, sea usada (60 – 90 kWh/año).

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Tabla 2. Costos de almacenamiento de energía, anuales y por unidad de energía

tipo de

batería
 

C20

Ah

Costo compra

$US

Vida útil

años

Costo anual

$US

Costo / energía

$US/kWh

             
arranque     80   70   1 82.60 0.92 – 1.38
arranque   150 100   2 63.80 0.71 – 1.06
arranque   150 100   3 49.90 0.55 – 0.83
“solar”   100 120   3 59.88 0.67 –1.00
“solar   100 120   5 38.28 0.43 – 0.64
estacionaria     50 400 10 88.80 0.99 – 1.48

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El primer ejemplo de la Tabla 2 corresponde al caso típico en muchas regiones rurales del Perú de usar una batería de arranque conectado directamente a un televisor B/N o un fluorescente de 20 W, hasta que ya no funciona el TV o el fluorescente (cada 1 – 2 semanas), y después llevar la batería a un poblado cercano que tenga electricidad para cargarla nuevamente ( a un precio de $ 1 –2, según la distancia).

De la Tabla 2 se puede deducir que los costos para almacenar, y usar, 1 kWh de energía eléctrica en una batería varían, en los casos considerados, entre $ 0.43 y $1.48. Conviene comparar estos precios con los de la energía eléctrica convencional, vía redes: =.06 – 0.15 $/kWh. Por otro lado, los costos más bajos de almacenamiento de energía en un SFD se obtiene con una buena batería “solar”, conectado a un buen regulador, que permite tener vidas útiles de las baterías de 5 años.

 

CONCLUSIONES

Para aplicaciones en SFD no se requiere de baterías caras que resistan muchos ciclos de carga-descarga profundos. Desde el punto de vista económico es más barato usar una buena batería "solar" tipo arranque mejorado. Con estas baterías se puede obtener menores costos, expresados en $/año o $/kWh de energía almacenada . De hecho, la mayoría de los SFD en países en desarrollo usan estas baterías.

Para una larga vida de la batería tipo arranque normal o mejorado es importante que el regulador sea de buena calidad para evitar sobrecargas y descargas profundas. Esto es particularmente verdad en aplicaciones en climas calientes donde, en general, la vida útil de una batería es menor que en un clima frío y donde se requiere un control de gasificación dependiente de la temperatura ambiente. Por otro lado, debe ser garantizado que se realice el mantenimiento eventual requerido, inspeccionando periódicamente a la bátería

Asimismo, el dimensionamiento del sistema, que debe considerar la carga diaria, la potencia del panel FV, la radiación solar y la capacidad de la batería, debe permitir que la batería sea de vez en vez completamente cargada para evitar sulfuración

Evidentemente ello requiere que el usuario tenga capacitación y hábitos de consumo eléctrico apropiados. Si en una comunidad rural existen muchos pequeños sistemas FV, estos requerimientos se pueden cumplir y obtener así los costos más bajos posibles.