7. Sistemes d’emmagatzematge d’energia
7.2. Tipus de bateries. Descripció i funcionament
7.2.5. Bateria zEBRA
La bateria zEBRA va ser inventada el 1985 pel grup Zeolite Battery Research Africa Project (zEBRA) a Sud-àfrica, i el seu nom tècnic és sodi-clorur de níquel (Na-NiCl2). La diferència de funcionament amb la resta de bateries exposades és que aquesta opera a 300 ºC, la qual cosa fa que requereixin un embolcall estanc. Tenen una densitat energètica de 120 Wh/kg i una potència específica de 180 W/kg amb cel·les grans de fins a 500 Ah (vegeu la figura 67). Com que poden emmagatzemar molta electricitat i permeten operar a 600 V tranquil·lament, s’usen també en aplicacions de 100 kWh, i inclús de 10 MWh. Aquesta bateria es fabrica a partir de sal comuna, ceràmica i níquel, i amb el mateix pes dóna 4 vegades més energia que la bateria d’àcid-plom. Es pot recarregar unes 1.000 vegades. Actualment a Suïssa, al cantó de Ticino, hi ha una fàbrica per produir-ne en sèrie. Alguns vehi-cles que la utilitzen són els autobusos de la EMT a Madrid, el Renault Twingo Quickshift Electric, o els primers Th!nk City.
Com que les bateries zEBRA presenten una capa-citat d’acceleració i de frenada regenerativa reduïda, s’implementen en aplicacions d’automoció conjunta-ment amb ultracapacitats, de manera que si tenim una bateria de supercapacitats de 20 Farads (132 dispo-sitius en sèrie de 2.700 Farads cadascun a 300 Vcc), podrem disposar de 90 kW de potència durant 10 segons, amb els quals n’hi ha prou per aconseguir una bona acceleració.
Figura 66. Esquema de la cel·la elemental a mòdul complet de les bateries PLM.
Electròlit Liti
Cel·la elemental
Càtode Col·lector
Cel·la
Mòdul
S’adjunta una taula resum per visualitzar les quí-miques representatives i les característiques tant de l’energia específica del paquet de bateries, com la po-tència específica.
7.3. Comparació entre tipus de bateries per a vehicles elèctrics
Com fàcilment pot deduir-se de la figura 68 (gràfica de Ragone), comparant entre els diversos sistemes de bateries, són les bateries d’ió liti les que ofereixen
supe-riors prestacions, fins i tot respecte les de níquel hidrur Taula 12. Característiques de densitat de potència i potència específica d’algunes de les bateries per a vehicles elèctrics.
Figura 67. Disseny d’una cel·la zEBRA conjuntament amb ultracapacitats per a la seva aplicació a autobusos.
Material Wh/kg W/kg
Pb 30 - 50 80 – 300
Bilaps 30 500
NiCd 50 - 60 200 - 500
NiMh 60 - 70 200 – 1.500
Nizn 70 - 80 200
znBr 80 100
NaNiCl 125 150
Li 50 - 200 80 – 2.600
z – aire 200 - 300 70
Segell TCB
OCV 2.58 a 300°C,
2 NaCl + Ni NiCl2 + 2Na
Càrrega
Descàrrega
Motor dièsel Cummins ISB 02
Motors de tracció
Electrònica de la refrigeració Radiadors
de refrigeració Motor
de refrigeració Unitat auxiliar (APU)
generador
Accessoris
Inversors Bateries ZEBRA
Sistema de control Col·lector de corrent (pol +)
Na Al Cl4
Electròlit líquid ß’’ – Al2 O3
Electròlit ceràmic Buit capil·lar
Na Al Cl4 Electròlit líquid ß’’ – Al2 O3 Electròlit ceràmic Buit capil·lar Clorur de níquel +
Clorur de sodi alumini
Contenidor de la cel·la (pol -)
Electròlit ceràmic Sodi
Detallat a la dreta
Rang operatiu:
de 270 a 350 ºC Capacitat estàndard 38Ah
100 % d’eficiència en Ah
Càrrega Descàrrega
2 NaCl + Ni NiCl2 + 2Na
2 NaCl + Ni NiCl2 + 2Na
Sistemes d’emmagatzematge d’energia per als vehicles elèctrics
metàl·lic (NiMh) per a la seva aplicació en vehicles elèctrics. Per una altra banda també s’observa la supe-rioritat de les bateries respecte els condensadors, atès el curt temps de descàrrega d’aquests, limitats a pocs segons. Així doncs, per a la seva aplicació als hEV, les bateries ió liti són suficients, ja que l’energia necessària és molt menor que per als EV. Les necessitats per a un PhEV de 60 km d’autonomia (96 Wh/kg d’energia disponible) es pot satisfer amb cel·les d’ió liti d’alta energia. De totes maneres resulta difícil concretar, ja que les necessitats són molt canviants per a diferents aplicacions. Mentre la potència de pic podria ser un criteri important per a hEV, la densitat d’energia ho és per als EV. A més, tenim altres criteris com el cost, la seguretat i la compatibilitat amb el medi ambient.
Per a la comercialització de bateries en aplicacions tan exigents com les aplicacions als vehicles encara hi ha diverses barreres que cal superar, com serien la segu-retat, el cost i l’operativitat a baixes temperatures. Per entendre què significa aquest darrer problema hem de saber que treballant a baixes temperatures (per sota una zona propera als 0 ºC), la potència disminueix considerablement com a conseqüència de l’augment de la resistència interna de les cel·les.
7.4. Introducció als supercondensadors per a vehicles elèctrics
Per a aplicacions d’emmagatzematge d’energia en VE, fins ara generalment s’han utilitzat bateries químiques.
Aquests elements emprats a bastament en el món de l’electrotècnia i l’electrònica són emprats com a acu-muladors d’energia, si bé la seva capacitat sempre ha-via estat molt reduïda, encara que és suficient per a les necessitats dels circuits. En els darrers anys han sofert
un notable desenvolupament i s’ha aconseguit un aug-ment considerable de la seva capacitat que ha donat lloc a una nova tecnologia de supercondensadors amb nous camps d’aplicació, atesa la considerable capacitat d’acumulació de càrrega elèctrica.
Els supercondensadors o “ultracapacitors” com se’ls coneix, poden aportar una solució al compromís entre pes i capacitat d’emmagatzematge d’energia. N’hi ha una gran varietat de dimensions i configuracions de moltes empreses dels Estats Units d’Amèrica, Àsia i Europa, on els costos han caigut en picat i s’apropen als 0,01 $ per Farad per a altes quantitats.
L’aplicació dels supercondensadors, conjuntament amb altres tecnologies (híbrida elèctrica, cel·les de combustible...) afavorirà la millora del comporta-ment global del sistema, ja que comporta-mentre altres sistemes d’emmagatzematge, com les bateries, tenen una res-posta lenta, tant per disposar d’energia (sigui arran-cada forta o pujada) com per captar-la (frenada), els supercondensadors tenen una resposta dinàmica molt ràpida. Alguns exemples d’utilització d’aquestes
“bateries” els tenim amb una companyia de Texas que ha desenvolupat un nou sistema de capacitat anome-Figura 68. Gràfica de Ragone per a diferents tecnologies de
bate-ries i objectius per a les tres tipologies de vehicles elèctrics.
Figura 69. Prototipus de vehicle elèctric híbrid endollable (PhEV) amb mòdul superconductor BlueAngel.
nat Electrical Energy Storage Units (EESU), amb capa-citat de subministrar energia per a un cotxe petit amb una autonomia de 450 km. Es tracta d’un sistema ba-sat en ceràmiques i fabricat amb tècniques de circuits integrats, adherint grans de pols de cristall de titanat de bari (amb molt alta permitivitat) sobre la ceràmica.
7.4.1. Comparació entre supercondensa-dors i bateries convencionals
Les bateries convencionals presenten un comporta-ment força deficient a baixes temperatures i una vida útil molt limitada sota certes condicions extremes, la qual cosa condiciona que s’hagin de substituir repeti-dament durant la vida del vehicle. A més, no estan dis-senyades per satisfer els requeriments més importants dels vehicles elèctrics, com per exemple la necessitat d’aportar ràfegues de potència en intervals de segons en ocasió d’acceleracions o d’arrancada freda, o captura ràpida d’energia en frenada43.
Per la seva banda, els supercondensadors ofereixen un molt bon comportament amb un ampli ventall de tem-peratures, atès que els ultracapacitors poden aguantar fins a -40 ºC, disposen d’una vida llarga, una recàrrega molt ràpida i una gestió flexible. Al ser utilitzats en combinació amb altres sistemes d’emmagatzematge d’energia (p.e. bateries químiques, cel·les de com-bustible, motor de combustió), el global del sistema pot complir els objectius de cost i comportament que no poden aconseguir-se emprant un sol disposi-tiu d’emmagatzematge. Com es pot veure a la figura 70, els supercondensadors gaudeixen d’una excel·lent densitat d’energia i temps d’accés, estan posicionats entre els condensadors electrolítics i les bateries reca-rregables petites, poden entregar fins a 10-20 vegades
més de potència (Joules o Watts) que les bateries, i ofereixen entre 1 i 100 vegades més densitat energètica (Wh/kg) que els condensador convencionals.
7.4.2. Tecnologia de supercondensadors Els supercondensadors estan constituïts per dos elèc-trodes porosos aïllats de possibles contactes elèctrics per un paper separador impregnat amb un medi con-ductor d’ions.
Emmagatzemen energia per la separació de càrregues a la interfície entre cada elèctrode i l’electròlit. Aquesta separació es produeix mitjançant el desplaçament dels ions presents a l’electròlit cap a l’elèctrode amb càrrega del signe oposat.
La combinació d’uns elèctrodes amb una àrea espe-cífica molt elevada (de 1.000 a 2.000 m2/g) amb un electròlit amb una alta concentració d’ions permet crear aquest dispositius d’alta potència amb capacitats energètiques de 5 a 10 Wh/kg i valors de potència es-pecífica de l’ordre de 10 kW/kg.
7.4.3. Tipus de supercondensadors
En funció del material que constitueix els elèctrodes o del tipus d’electròlit podem tenir diferents tipus d’aquests dispositius:
• Supercondesadors de carboni. Són els més utilitzats i amb una major implantació tecnològica. Tenen unes bones prestacions i un cost baix.
Figura 70. Característiques de potència i energia de diferents dis-positius d’emmagatzematge d’energia.
Figura 71. Estructura de doble capa dielèctrica prima per a la formació de gran superfície.
43 Fins a un 25 % de l’energia en els VCI es converteix en calor per fregament en la frenada, que podria ser aprofitada amb aquesta nova tecnologia.
Capes
Càtode Separador
Ànode
Sistemes d’emmagatzematge d’energia per als vehicles elèctrics
• Supercondensadors d’òxids metàl·lics de RuO2 i LiO2. Ofereixen bones prestacions però són d’implantació difícil pel seu elevat preu i el seu comportament am-bientalment dubtós.
• Superconductors de polímers conductors. Els materials actius són polímers conductors elèctrics. Presenten problemes d’estabilitat i de durabilitat.
Pel que a fa al tipus d’electròlit es poden dividir en:
• Supercondensadors aquosos. Per evitar que es pro-dueixi hidròlisi amb el consegüent despreniment d’hidrogen i oxigen, tenen un reduït rang de treball, fins a 1 V. Són útils per a aplicacions amb altes po-tències.
• Supercondensadors orgànics. El seu electròlit orgànic presenta una major capacitat d’emmagatzemament d’energia. Són útils per a aplicacions de major capacitat.
7.5. Nous desenvolupaments i alternatives en la recerca de bateries
hi ha molt treball de recerca que es duu a terme tant en institucions públiques, centres de recerca i univer-sitats com a l’empresa privada. El llistat de possibles alternatives quant a noves tecnologies per poder em-magatzemar l’energia és extens, i n’estan apareixen contínuament de noves. El que aquestes assoleixin un nivell de maduresa o se’ls atorgui la importància que es mereixen per poder ser implantades en forma de producció massiva per a aplicacions com la dels VE, dependrà del resultat obtingut segons els criteris d’avaluació analitzats en apartats anteriors.
Volem finalitzar aquest apartat presentant algunes de les alternatives que en un futur podrien convertir-se en aplicacions en els VE. La diferència entre països quant a aquest tema de recerca és molt gran: es fan grans inversions als EUA i a països de l’Est molt avançats en aquestes tecnologies. De totes maneres, a Europa tam-bé hi ha gran desenvolupament, mentre que el nostre país sembla estar força endarrerit en aquest sentit.
7.5.1. Manipulacions genètiques
En el camp de la recerca, en alguns pocs instituts, com ara el MIT de Massachusetts, el Max Planck Institute de recerca d’estat sòlid d’Alemanya, o el Texas A&M, han pensat en la biologia per tractar el tema de les bateries. Aquí es presentes dues àrees d’aplicació d’aquest coneixement que són molt avançades:
• Generació d’hidrogen mitjançant bacteris. Investi-gadors del Texas A&M han aconseguit manipular genèticament el bacteri Escherichia coli per produir hidrogen a partir del sucre comú. L’E. coli normal-ment s’associa a la contaminació d’alinormal-ments poc cuinats, i es troba de forma natural al cos humà (una persona normal té 8 kg de bacteris al seu cos).
Aquest produeix hidrogen per augmentar el ph del seu entorn per sobreviure-hi. També se’l coneix per altres aplicacions, com la neteja ambiental i altres.
Finalment, a través d’un procés de manipulació genètica s’ha trobat una combinació de gens del bacteri que fa que produeixi més hidrogen. Dels 12 hidrògens de la glucosa, ara són capaços de capturar-ne de 2 a 4. Està en qüestió la seva aplicació en ve-hicles elèctrics, amb la generació de l’hidrogen en el propi vehicle a partir de la transformació de la glucosa en hidrogen.
• Bateries d’ió liti construïdes a partir de virus re-coberts. La fabricació de bateries d’ió liti consta de Exemple de dimensionament
Suposem un vehicle circulant a 120 km/h i que volem aprofitar l’energia que generarà en realitzar una frenada, emmagatzemant-la en un supercon-densador de tensió nominal 337 V, i volem di-mensionar aquest dispositiu per aprofitar-ne tota l’energia.
Energia cinètica del vehicle
Considerant una massa del vehicle de 1.450 kg, l’energia cinètica serà de 805 kJ. Per acumular-la en un supercondensador, aquest haurà de tenir una capacitat de
Ens caldria un supercondensador de 14 F.
Considerant els valors de mercat habituals de 1.500 F a tensions de 2,5 V, disposarem d’una bateria de supercondensadors de 1.500 F/2,5 V col·locant en sèrie parelles associades en paral·lel. Amb 135 parelles assolim els 337 V, però la capacitat serà de 22,2 F (2*1500/135). Això ens permetrà acumular fins a 1.260 kJ.
processos que requereixen components molt reac-tius, dissolvents agressius i altes temperatures, així com el perill en la manipulació del liti. És per això que s’han manipulat alguns virus per fer aquest pro-cés molt més segur i net (MIT). En concret, han manipulat el virus M13 en un càtode, introduint un gen que fa que el virus produeixi unes proteïnes que el fan adherir ferro i ions de fosfat de la solució que l’envolta convertint-los en nanòfils. Com que utilit-zant la mateixa tècnica viral també s’ha aconseguit produir ànodes, l’equip investigador ha pogut crear bateries d’ió liti de 3 V totalment basades en virus.
El fet d’utilitzar nanoestructures pot potenciar molt més l’emmagatzematge de l’energia.
• Si com a material d’emmagatzematge de liti actiu a l’elèctrode s’utilitza en comptes de carbó o grafit, nanòfil de silici, resulta que el silici pot emmagat-zemar molt de liti i s’aconsegueix una altíssima ca-pacitat, al menys 10 vegades més que amb la actual tecnologia.
7.5.2. Utilització de la nanotecnologia Seguidament es comenten alguns exemples de millora substancial en les eficiències de les bateries utilitzant en aquest cas millores que provenen del camp de la nanotecnologia.
• Les bateries de liti-sofre podrien emmagatzemar el triple d’electricitat que les d’ió liti, gràcies a la nano-tecnologia, reduint alhora el pes i el cost. Per acon-seguir-les s’utilitza un carbó mesoporós, un material que presenta una estructura molt uniforme del pors a nanoescala. Mentre una cel·la típica d’ió liti té 500 Wh/kg, amb la de sulfur-liti es poden generar 1.200 Wh/kg.
• hi ha un material nou anomenat “grafè” del gruix d’un àtom, constituït per àtoms de carboni entre-llaçats i densament encapsulats, de manera que 1 gr d’aquest material equival a una àrea de 2.630 m2, és a dir tenim una superfície específica de 2.630 m2/gr. Això vol dir que un major nombre de ions positius o negatius en l’electròlit poden formar una capa en les capes de grafè, d’on en resulten uns nivell d’emmagatzematge de càrrega excepcionals. Fins ara s’han aconseguit nivells similars als dels supercon-densadors.
• Els condensadors nanoestructurats, que es formen amb una làmina d’òxid d’alumini anòdic nanopo-rós. D’aquesta manera s’obtenen milions i milers de milions de nanoestructures idèntiques que reben, emmagatzemen i alliberen càrrega elèctrica.
7.5.3. Cel·les d’hidrogen
Pel que fa a les cel·les de combustible, una de les que més ressò ha tingut per a aplicacions en vehicles ha estat la cel·la de hidrogen, que utilitza hidrogen com a combustible i oxigen de l’atmosfera per crear elec-tricitat (vegeu també l’apartat 2.2.2). S’han invertit grans esforços per aconseguir un VE que pugui ser propulsat amb hidrogen, com la iniciativa del Con-grés dels EUA amb una inversió en més de 10.000 milions de dòlars per investigar el motor d’hidrogen els passats cinc anys, o els 480 milions d’euros del Par-lament Europeu, malgrat que finalment els plans per a la fabricació del vehicle de hidrogen no han reeixit.
Produir hidrogen presenta un balanç energètic nega-tiu i costa més car que no el que després s’aporta en forma d’energia per al moviment del VE. Tant Gene-ral Motors, que va iniciar l’era de l’hidrogen el 1998, i que va renunciar-hi més endavant, com també To-yota, han desviat l’atenció del vehicle d’hidrogen cap el VE, proporcionant tant sols alguns pocs models prototipus.
La pila de combustible, l’element que fa reaccio-nar l’hidrogen amb l’oxigen per produir electricitat i aigua, ja està desenvolupada de fa anys, però la seva implantació al VE no acaba de funcionar, ni pel vo-lum, ni pels riscos, ni pel preu. Un dels grans incon-venients a esmentar rau en el seu emmagatzematge, ja que l’hidrogen és un gas amb una densitat energètica molt baixa, que ha de ser comprimit per poder aportar prou energia al vehicle, i cal augmentar-ne moltíssim la pressió, amb els riscos que això comporta.
A la figura 72 pot comparar-se l’eficiència dels siste-mes basats en cel·les de combustible i hidrogen, amb els VE purs basats en bateries. Essent generosos amb els VCI, i suposant una energia de valor 100 per al petroli, el màxim d’energia que arribarà a les rodes44 serà de l’ordre de 25. En el cas de la pila d’hidrogen, aquesta presenta bons rendiments a potència nominal, disminuint en el cas de càrregues parcials, com seria el cas dels vehicles, a banda que l’hidrogen cal produir-lo emprant gas natural, electricitat o biocombustibles, amb les pèrdues d’energia conseqüents. Així doncs, des de l’hidrogen fins a la roda, el que se’n diu Well to Wheel, per a una energia de 100 a l’entrada del sistema (abans de produir l’hidrogen), obtenim a la roda una energia de menys de 30, propera a la dels VCI. En canvi, segons aquest estudi, en el cas dels vehicles elèc-trics, partint d’una mateixa energia de 100 en origen, les rodes n’aconseguirien 76, el doble que de les piles d’hidrogen.
41 Pel que fa a la part mecànica, l’eficiència del motor elèctric és 4 vegades superior a la del motor de combustió interna.
Sistemes d’emmagatzematge d’energia per als vehicles elèctrics
7.5.4. Bateries alumini-aire
Aquestes bateries, que pertanyen a la família de bate-ries metall-aire, representen un pas endavant en la tec-nologia de zinc-aire. Emmagatzemen 3,5 vegades més energia potencial que les de ió liti, amb una densitat energètica que arriba als 1.300 Wh/kg i s’espera poder assolir els 2.000 Wh/kg, emmagatzemant 21 vegades més energia. Els principals inconvenients d’aquestes bateries són allargar la seva vida i poder recarregar-les, ja que un cop s’ha consumit l’ànode d’alumini per la seva reacció amb l’oxigen atmosfèric, el càtode que està immers en un electròlit basat en aigua per formar òxid d’alumini hidratat, ja no produirà més energia.
A la vegada, cal solucionar problemes de corrosió i d’estabilitat.
Oxidació de l’ànode (1/2 reacció) AL + 2OH- → Al(OH)3 + 3e- + 2.31 V
Reducció del càtode (1/2 reacció) O2 + 2H2O + 4 e- → 4 OH- +0.4 V
Reacció total
4Al + 3 O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 + 2.71 V
Les bateries consten d’un metall a l’ànode i d’un elec-tròlit (dissolució de potassa), i al càtode, en comptes
de tenir un compost químic oxidant, tenen una mem-brana en contacte amb l’aire que permet la difusió i la reacció amb l’oxigen. Això propicia la formació d’un hidròxid de metall i del corrent elèctric mentre encara hi hagi metall a l’ànode. Al ser una bateria que no ne-cessita compost químic oxidant en el cos de la bateria, se’n redueixen el volum i el pes, amb la qual cosa aug-menta la densitat energètica.
7.5.5. Bateries zinc-aire
En un principi es tractava d’una bateria primària, que no es podia recarregar com la d’alumini-aire: se Figura 72. Diagrama de blocs de l’eficiència energètica des de la
generació amb fonts renovables fins a les rodes de vehicles elèc-trics i de vehicles amb hidrogen.
Figura 73. Bateria zinc-aire on s’observa com les partícules de zinc cauen a la cel·la.
Línies elèctriques Eficàcia del 92%
Carregador de bateries Eficàcia del 92%
Bateries d’ió liti Eficàcia del 94%
Eix motriu elèctric Eficàcia del 89%
Eix motriu
Eix motriu