Sistemas de almacenamento de enerxía eléctrica

2000/10/01 Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

Hoxe en día resultaríanos difícil vivir sen enerxía eléctrica. Ao usarse tanto se pode pensar que a tecnoloxía está enormemente desenvolvida e estao, xa que hai tempo utilízanse turbinas moi eficientes paira transformarse en enerxía eléctrica. Con todo, aínda ten algúns "problemas", sobre todo no que se refire ao transporte (no que se perde enerxía) e ao almacenamento (xa que non é moi fácil almacenar enerxía eléctrica). No artigo referirémonos ás ferramentas de almacenamento de enerxía eléctrica: os acumuladores. No número anterior menciónanse os acumuladores tipo folla máis recentes, pero nesta ocasión preséntanse as características xerais do tres tipos de acumuladores.

En xeral, considérase que a enerxía eléctrica debe utilizarse no mesmo momento en que se produce. Ou que se cre no mesmo momento da súa utilización. Por iso, as grandes centrais eléctricas, sexan dun tipo ou outro, deben ter en conta o uso punteiro de enerxía eléctrica ao longo do día e dun día paira outro. Con todo, como se comentou na introdución, existen acumuladores de enerxía.

A dos acumuladores é un campo relativamente amplo, quizá non, pero poderiamos dicir que é unha área en expansión, xa que a medida que avanzan as tecnoloxías, a eficiencia dos acumuladores está a aumentar. Existen xa varios modelos e tipos no mercado (ver gráfico 1). Non se utilizan en lugares onde se require una gran cantidade de enerxía, pero son moi útiles nalgunhas situacións. Por exemplo, paira almacenar enerxía excedente en sistemas illados ou paira satisfacer demandas de potencia punta. Estes sistemas ou acumuladores de almacenamento de enerxía pódense clasificar en tres grupos: 1) acumuladores electromecánicos (EMB) ou sistemas Flywheel, 2) acumuladores electroquímicos (de Pb-acedo, de níquel, Nin-Cd, NiMH, de litio...) e 3) acumuladores laminares ou ultracondensadores.

Acumuladores electromecánicos

Tamén chamados sistemas flywheel. Utilizan enerxía cinética. Son sistemas de pequena masa pero de alta velocidade (ver figura 1). A enerxía obtida exprésase mediante a fórmula E = 1/2 J W2, onde J é a inercia do rotor (= m.R2) e W é a velocidade angular. Os compoñentes ou partes destes acumuladores son o rotor, os cojinetes, o motor/xerador, a electrónica de potencia e control e a estrutura de xeración sen carga. A función dos rotores é almacenar enerxía cinética. Poden ser dun só anel ou de varios aneis, que á súa vez son de aceiro ou de fibra de carbono. Estes últimos son máis resistentes e lixeiros, e o fallo do rotor reduce os danos. Poden alcanzar velocidades de 1.400-2.000 m/s e xerar una enerxía específica superior a 700 Wh/Kg. O motor é o que transforma a enerxía cinética en eléctrica ou viceversa. Os máis utilizados son os que xeran un campo magnético continuo, entre os que se atopan os de ordenación Halbach. Nesta ordenación os imáns disponse alternativamente en distintas direccións paira crear un campo magnético continuo. O aparello electrónico do acumulador adapta a tensión e controla o funcionamento do rotor e do motor. O investidor investidor é o que presenta a maior parte das dificultades, xa que pode ter problemas á hora de aumentar moito a velocidade. A carga do rotor sopórtana os cojinetes. Poden ser mecánicos (de aceiro, cerámicos ou híbridos), pneumáticos ou magnéticos. Os cojinetes magnéticos activos requiren dun sistema de control e xa se comercializan (realizaron prototipos de 60.000 r.p.m.). Os pasivos, con todo, atópanse en fase experimental, non requiren sistemas de control debido á súa estabilidade natural e as materias son hiperconductores. Así mesmo, o rotor atópase en baleiro dentro dun envoltorio. Desta forma redúcese a influencia da fricción e, ademais, o resto de compoñentes do acumulador poderían estar protexidos en caso de deterioración ou rotura do rotor.

Estes acumuladores mecánicos utilízanse principalmente en vehículos (eléctricos ou mixtos e locomotoras), sistemas de subministración de enerxía ininterrompida (UPS), paira introducir enerxía de alta calidade na rede eléctrica, satélites e cargadores rápidos.

Acumuladores electroquímicos

Son os acumuladores máis habituais. Existen varios tipos, pero en xeral poden agruparse en catro grupos: de chumbo acedo (Pb-acedo), de níquel (Nin), de litio (Li) e de metal-aire. A esencia de todos é a mesma: metidos nun electrolito que pode ser líquido ou sólido, pero separados, hai un electrodo positivo e negativo; ao pór en contacto ambos electrodos, os electróns pasan dun lado a outro xerando corrente eléctrica. Aínda que non todas as imos a expor, no diagrama de Ragonne pódese ver a enerxía e as potencias específicas da maioría dos acumuladores electroquímicos.

Os máis utilizados son os de pb-ácido e os de tecnoloxía máis desenvolvida. Dos que usan níquel, a tecnoloxía máis desenvolvida é a de Nin-Cd, pero agora están a substituír a NiMH por acumuladores (níquel-metalhidrato), xa que o cadmio é moi contaminante.

Os de metal aire utilizan como ánodo o zinc (Zn), o ferro (Fe), o aluminio (Ao) e o litio (Li) e o cátodo é osíxeno do aire, polo que só cambia o ánodo de recarga.

Polo momento, como xa se indicou, son os de chumbo os que máis se utilizan e os que máis se van a utilizar a curto prazo, e non se sabe cal será o substituto no futuro. Parece ser de NiMH, Li-ion e Li-polímero os que poden ser substitutos.

Ultracondensadores

Tamén se denominan acumuladores tipo páxina. Almacenan enerxía almacenando cargas eléctricas, centos de veces máis que os condensadores convencionais. Tamén poden dar picos de enerxía moi grandes.

Existen dous tipos: dúas capas e varias. As de dúas capas teñen dúas electrodos e electrolito e a carga acumúlase na superficie comprendida entre o electrodo e o electrolito. A enerxía almacenada depende do electrodo: os de óxidos metálicos teñen una gran capacidade específica e una superficie baixa, mentres que os de carbono teñen una baixa capacidade específica e una gran superficie. Tamén están a probar os ultracondensadores que van ter mesturados ambos. Varias capas presentan capas moi finas e material dieléctrico intercalado. Son tan finos acumuladores que o control da estrutura é atómico.

A tecnoloxía dos ultracondensadores é moi nova, pero se cre que será de gran importancia no futuro. Paira máis información no número de setembro de 2000.