Sistemes d'emmagatzematge d'energia elèctrica

2000/10/01 Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

Avui dia ens resultaria difícil viure sense energia elèctrica. En usar-se tant es pot pensar que la tecnologia està enormement desenvolupada i ho està, ja que fa temps s'utilitzen turbines molt eficients per a transformar-se en energia elèctrica. No obstant això, encara té alguns "problemes", sobretot pel que fa al transport (en el qual es perd energia) i a l'emmagatzematge (ja que no és molt fàcil emmagatzemar energia elèctrica). En l'article ens referirem a les eines d'emmagatzematge d'energia elèctrica: els acumuladors. En el número anterior s'esmenten els acumuladors tipus fulla més recents, però en aquesta ocasió es presenten les característiques generals dels tres tipus d'acumuladors.

En general, es considera que l'energia elèctrica ha d'utilitzar-se en el mateix moment en què es produeix. O que es creï en el mateix moment de la seva utilització. Per això, les grans centrals elèctriques, siguin d'un tipus o un altre, han de tenir en compte l'ús capdavanter d'energia elèctrica al llarg del dia i d'un dia per a un altre. No obstant això, com s'ha comentat en la introducció, existeixen acumuladors d'energia.

La dels acumuladors és un camp relativament ampli, potser no, però podríem dir que és una àrea en expansió, ja que a mesura que avancen les tecnologies, l'eficiència dels acumuladors està augmentant. Existeixen ja diversos models i tipus en el mercat (veure gràfic 1). No s'utilitzen en llocs on es requereix una gran quantitat d'energia, però són molt útils en algunes situacions. Per exemple, per a emmagatzemar energia excedent en sistemes aïllats o per a satisfer demandes de potència punta. Aquests sistemes o acumuladors d'emmagatzematge d'energia es poden classificar en tres grups: 1) acumuladors electromecànics (EMB) o sistemes Flywheel, 2) acumuladors electroquímics (de Pb-àcid, de níquel, Ni-Cd, NiMH, de liti...) i 3) acumuladors laminars o ultracondensadores.

Acumuladors electromecànics

També anomenats sistemes flywheel. Utilitzen energia cinètica. Són sistemes de petita massa però d'alta velocitat (veure figura 1). L'energia obtinguda s'expressa mitjançant la fórmula E = 1/2 J W2, on J és la inèrcia del rotor (= m.R2) i W és la velocitat angular. Els components o parts d'aquests acumuladors són el rotor, els coixinets, el motor/generador, l'electrònica de potència i control i l'estructura de generació de buit. La funció dels rotors és emmagatzemar energia cinètica. Poden ser d'un sol anell o de diversos anells, que al seu torn són d'acer o de fibra de carboni. Aquests últims són més resistents i lleugers, i la fallada del rotor redueix els danys. Poden aconseguir velocitats de 1.400-2.000 m/s i generar una energia específica superior a 700 Wh/Kg. El motor és el que transforma l'energia cinètica en elèctrica o viceversa. Els més utilitzats són els que generen un camp magnètic continu, entre els quals es troben els d'ordenació Halbach. En aquesta ordenació els imants es disposen alternativament en diferents direccions per a crear un camp magnètic continu. L'aparell electrònic de l'acumulador adapta la tensió i controla el funcionament del rotor i del motor. L'inversor inversor és el que presenta la major part de les dificultats, ja que pot tenir problemes a l'hora d'augmentar molt la velocitat. La càrrega del rotor la suporten els coixinets. Poden ser mecànics (d'acer, ceràmics o híbrids), pneumàtics o magnètics. Els coixinets magnètics actius requereixen d'un sistema de control i ja es comercialitzen (han realitzat prototips de 60.000 r.p. m.). Els passius, no obstant això, es troben en fase experimental, no requereixen sistemes de control degut a la seva estabilitat natural i les matèries són hiperconductores. Així mateix, el rotor es troba en buit dins d'un embolcall. D'aquesta forma es redueix la influència de la fricció i, a més, la resta de components de l'acumulador podrien estar protegits en cas de deterioració o trencament del rotor.

Aquests acumuladors mecànics s'utilitzen principalment en vehicles (elèctrics o mixtos i locomotores), sistemes de subministrament d'energia ininterrompuda (UPS), per a introduir energia d'alta qualitat en la xarxa elèctrica, satèl·lits i carregadors ràpids.

Acumuladors electroquímics

Són els acumuladors més habituals. Existeixen diversos tipus, però en general poden agrupar-se en quatre grups: de plom àcid (Pb-àcid), de níquel (Ni), de liti (Li) i de metall-aire. L'essència de tots és la mateixa: ficats en un electròlit que pot ser líquid o sòlid, però separats, hi ha un elèctrode positiu i negatiu; en posar en contacte tots dos elèctrodes, els electrons passen d'un costat a un altre generant corrent elèctrica. Encara que no totes les exposarem, en el diagrama de Ragonne es pot veure l'energia i les potències específiques de la majoria dels acumuladors electroquímics.

Els més utilitzats són els de pb-àcid i els de tecnologia més desenvolupada. Dels quals usen níquel, la tecnologia més desenvolupada és la de Ni-Cd, però ara estan substituint a NiMH per acumuladors (níquel-metalhidrato), ja que el cadmi és molt contaminant.

Els de metall aire utilitzen com a ànode el zinc (Zn), el ferro (Fe), l'alumini (Al) i el liti (Li) i el càtode és oxigen de l'aire, per la qual cosa només canvia l'ànode de recàrrega.

De moment, com ja s'ha indicat, són els de plom els que més s'utilitzen i els que més s'utilitzaran a curt termini, i no se sap quin serà el substitut en el futur. Sembla ser de NiMH, Li-ió i Li-polímer els que poden ser substituts.

Ultracondensadores

També es denominen acumuladors tipus pàgina. Emmagatzemen energia emmagatzemant càrregues elèctriques, centenars de vegades més que els condensadors convencionals. També poden donar pics d'energia molt grans.

Existeixen dos tipus: dues capes i vàries. Les de dues capes tenen dos elèctrodes i electròlit i la càrrega s'acumula en la superfície compresa entre l'elèctrode i l'electròlit. L'energia emmagatzemada depèn de l'elèctrode: els d'òxids metàl·lics tenen una gran capacitat específica i una superfície baixa, mentre que els de carboni tenen una baixa capacitat específica i una gran superfície. També estan provant els ultracondensadores que tindran barrejats tots dos. Diverses capes presenten capes molt fines i material dielèctric intercalat. Són tan fins acumuladors que el control de l'estructura és atòmic.

La tecnologia dels ultracondensadores és molt nova, però es creu que serà de gran importància en el futur. Per a més informació en el número de setembre de 2000.