Baterías Vehículos Eléctricos - Emobility Advisor, movilidad eléctrica

Sistemas de almacenamiento eléctrico (baterías)

Los vehículos eléctricos -por omisión- son todos aquellos que obtienen su energía de baterías electroquímicas que han sido cargadas mediante un aporte externo; y que opcionalmente pueden tener un motor convencional como generador (caso del BMW i3 REX). Este detalle técnico les diferencia de los vehículos de pila de combustible, que generan su propia electricidad a bordo y también tienen motores eléctricos; y de los híbridos enchufables, cuyo motor principal sigue siendo el convencional.

En las primeras generaciones de vehículos eléctricos se utilizaban baterías de ácido sulfúrico y plomo (Pb); con muy poca capacidad de carga, muy pesadas; muy voluminosas y con un coste comparativo bajo. Con una vida útil escasa y pobre eficiencia, resulta evidente que no es el tipo más adecuado para popularizar los coches eléctricos. Además, a nivel medioambiental son muy perjudiciales. Se usan en automoción para el circuito auxiliar de energía de 12 voltios.

En un escalón superior están baterías basadas en níquel (Ni-Mh, NiFe y NiCd). Los primeros diseños son de principios del Siglo XX, aunque hoy día solo se utilizan en modelos híbridos no enchufables por su mayor tolerancia a ciclos de carga y descarga. No necesitan almacenar mucha energía y su eficiencia es de hasta el 70%. Son muy longevas y fueron un término medio entre el plomo y el litio. Dependiendo de los componentes que usen junto al níquel pueden sufrir un elevado efecto memoria, pero no es el caso del Ni-Mh.

A día de hoy las baterías de los vehículos eléctricos se basan fundamentalmente en ión-litio (LiCoO₂, LiFePO₄ o LiPo). No hay que temer por la escasez del litio como materia prima durante décadas; aunque la capacidad de procesarlo por parte de la industria puede provocar cuellos de botella en la producción de baterías a medio y largo plazo. Gracias al litio las baterías aumentan su densidad de carga, no tienen apenas efecto memoria, y mediante las economías de escala pierden sentido las baterías de tecnologías previas. Eso sí, por lo general no llevan bien las descargas completas.

Algunas características a tener en cuenta

Cuando se diseñan las baterías se tiene en cuenta todo esto:

Densidad energética: cuánta energía puede almacenarse por unida de volumen o unidad de masa, aunque se usa más la última métrica. Las baterías modernas de ión-litio almacenan de 100 a 250 Wh/kg, lejísimos de los 12.200 Wh/kg de la gasolina o los 12.700 Wh/kg del gasóleo, pero es el triple de las baterías de plomo ácido.
Potencia específica: cuánta potencia puede entregarse por unidad de masa (expresada en W/kg) o de volumen. Nótese que ha desaparecido la “h”, porque hablamos de potencia, no de capacidad.
Eficiencia de carga y descarga: tanto en el proceso de recarga como en el de entrega de potencia al motor hay que contar con pérdidas inevitables.
Ciclos de vida: los componentes químicos de las baterías se van degradando con cada carga y descarga. Esta métrica aproxima la duración que tendrán las baterías conservando una cantidad dada respecto a la capacidad original.
Velocidad de recarga: las baterías pueden admitir un cierto flujo entrante de energía, limitado por la electrónica de control. En función de esto, las baterías podrán cargarse más o menos rápido, aunque una carga completa implica ritmos lentos.
Coste: esto acaba determinando todo lo demás. Afortunadamente los precios por kWh están cayendo de forma progresiva en los últimos años.

Cómo funcionan las baterías a nivel interno

Simplificando mucho, las baterías almacenan energía química y pueden convertirla en eléctrica -y viceversa- mediante procesos de oxidación (se pierden electrones) y reducción (se ganan). Los electrolitos no se consumen, solo cambia su carga. Las baterías se dividen en celdas que pueden conectarse en serie o en paralelo, siempre tienen un cátodo (borne negativo) y un ánodo (borne positivo). La energía se introduce en las celdas como corriente contínua (DC), la misma que emplean los motores. Como la red eléctrica funciona con corriente alterna (AC) la transformación se produce en el momento de la recarga. Además de las celdas, las baterías disponen de una electrónica de control y sistema de refrigeración por aire o por líquido, para que funcionen en condiciones más estables.

Con el paso del tiempo y los ciclos de carga y descarga las celdas van perdiendo poco a poco su capacidad original, por lo que la autonomía máxima del vehículo eléctrico va degradándose. El proceso es inevitable, pero se pueden mitigar sus efectos evitando el abuso de las recargas rápidas, evitando los climas muy fríos o muy calientes y cumplir con todos los requisitos de mantenimiento del fabricante. En algunas baterías hay que cambiar filtros de aire o inspeccionar el sistema de ventilación para que las celdas trabajen dentro de unos márgenes de temperatura previstos. Si la ventilación falla y se produce un sobrecalentamiento, el rendimiento se degrada y aumenta el riesgo de incendio.

Los fabricantes garantizan las baterías en el sentido de que tiene que estar disponible una capacidad mínina, que suele ser del 80%, en un plazo de hasta 10 años. Aquellos fabricantes que ofrecen las baterías en régimen de alquiler pretenden dar confianza; es decir, si hay que reemplazar las baterías los costes no los asumirá el cliente. Con la capacidad mermada los vehículos eléctricos siguen pudiendo usarse, simplemente hacen menos kilómetros por cada carga, siguen siendo aptos como segundos vehículos en el hogar o para uso urbano.

Debido a las normativas medioambientales y a los metales pesados que tienen las baterías, estas tienen una segunda vida una vez se retiren del vehículo. En primer lugar serán destinadas a reutilización; es decir, servirán de acumuladores energéticos con las celdas que estén en buen estado. Algunos fabricantes utilizarán las celdas para acumuladores domésticos o industriales, aunque también son viables para puntos de recarga. Allí donde el flujo de energía no es suficiente para una carga rápida, las baterías se cargan a menor ritmo para que el punto de recarga sí sea capaz de dar energía a un ritmo elevado cuando se precise. Mientras no se estén usando, esas baterías volverán a cargarse para el próximo cliente.

Utilizando baterías de gran capacidad en el hogar o negocios, siempre y cuando lo permita la legislación, es posible aprovechar más la energía de bajo coste de las tarifas valle y reducir el consumo en tarifas punta. Incluso dan lugar a su recarga utilizando energía renovable para así reducir el gasto en la red general.

Una vez que las baterías han cumplido con el uso secundario sus componentes están destinados a un proceso de reciclaje, donde se recuperan más del 90% de los componentes en peso y pueden volver a utilizarse para dar lugar a baterías nuevas. Estos procesos, que son obligatorios según las normativas vigentes, tranquilizan sobre el final de la vida útil de las baterías, que tienen un impacto muy bajo en el medio ambiente. Es más, en teoría todas las baterías que ya no sirven deberían acabar en plantas de reciclaje. En el caso del automóvil, esto es una certeza, porque además de ser obligatorio es un negocio.

Las baterías electroquímicas en el futuro

Aunque la tecnología del ión-litio ha logrado grandes avances, siguen existiendo limitaciones que alejan a los vehículos eléctricos de la autonomía de los vehículos convencionales, y a nivel de densidad energética son poco eficientes, es decir, a igualdad de masa o volumen almacenan “poca” energía. Los fabricantes están mejorando poco a poco las características de la tecnología actual mediante diseños más eficientes a la hora de colocar las celdas o de su gestión electrónica.

Por ejemplo, el Renault ZOE ha doblado la capacidad de sus baterías desde su lanzamiento comercial, llegando a 41 kWh, mientras que el precio ha subido muy poco y no se ha duplicado ni su volumen (es el mismo) ni su masa (aumenta muy poco). Sin embargo, para poder hablar de igualdad de condiciones respecto a los vehículos convencionales en términos de autonomía, hay que hablar de capacidades que superen los 50 kWh y admitir recargas rápidas. Algunos modelos las consiguen, como los Tesla. Los peajes que se pagan a cambio son precios más elevados y cifras más grandes sobre la báscula.

Mayor capacidad implica más tiempo en el proceso de carga si no evoluciona la velocidad. Por eso, los fabricantes están ligando los nuevos diseños de grandes baterías a procesos de carga muy rápidos, para lo cual es necesario un alto aporte energético. Será relativamente normal en unos años poder cargar por encima de los 50 kW de potencia, así se podrá ganar autonomía para la etapa de un viaje en cuestión de minutos. No obstante, eso de ganar la misma autonomía que en un depósito de gasolina o gasóleo, y en el mismo tiempo (menos de 5 minutos) es de momento algo muy lejano.

Múltiples tecnologías de baterías están evaluándose en laboratorios y probándose, aunque tardarán un poco en llegar a producción en serie. Algunas voces en la industria del automóvil vaticinan avances sustanciales a lo largo de la próxima década, cuando se podría superar el nivel de ventas de vehículos convencionales por el de los vehículos eléctricos.

Podemos citar avances en las siguientes direcciones:

Metal-aire: baterías que pueden ser de aluminio-aire y zinc-aire. Se nutren del oxígeno presente en el aire común y tienen un elevado potencial de mejora, aunque están lejos de ser una realidad comercial, son experimentales. Sus ventajas son el elevado potencial energético, mayor fiabilidad y un menor coste.
Nanotecnologías: permiten una mejora del ánodo con una microestructura que aumenta el contacto con el electrolito, por lo que mejora las prestaciones de las baterías sin que pesen más ni ocupen más espacio. Estas mejoras empiezan a tener vida comercial.
Estado sólido: manteniendo el litio como elemento principal, se utiliza el estado sólido -como metal- en vez del líquido, eliminando los problemas de corrosión. Las ventajas son evidentes: más densidad energética, más eficiencia, menos posibilidad de inflamación, admitirán recargas muy rápidas y tendrán una mayor vida útil. Estarán en producción a lo largo de la próxima década. También se están desarrollando baterías de estado sólido con sodio como elemento alternativo al litio, prometiendo costes muy inferiores -por su abundancia, hasta la centésima parte por tonelada-, menor impacto ambiental y un menor riesgo de incendio, aunque la densidad de carga no sea tan buena como la del litio.
Supercondensadores: bien conocidos en microelectrónica, son almacenes de electrones en los que no existen electrolitos ni se producen reacciones químicas. Cuando se supere la limitación de la densidad energética, que es pobre, aumentará mucho el ritmo de carga y descarga, con niveles máximos de eficiencia y durabilidad.
Grafeno: este prometedor material basado en el carbono ilusiona a los científicos por sus múltiples propiedades. Es complicado de producir de forma masiva y económica, y se encuentra en una fase temprana de desarrollo.
Supercondensadores híbridos (LIC): combinación de condensador y batería de ión-litio, ya se han empleado en competición en híbridos del Mundial de Resistencia (WEC). Tienen que mejorar su densidad energética mucho, pero son muy fiables, se adaptan a un amplio rango de temperaturas, apenas se descargan de forma natural, tienen una alta expectativa de vida, etc.

En definitiva, todas estas investigaciones están encaminadas a aproximar las baterías lo máximo posible a los depósitos de gasolina o gasóleo en cuanto a densidad energética, que puedan recargarse muy rápido, sea un proceso económico, duren tanto o más que el coche, ocupen poco volumen, añadan poco peso y no tengan riesgo de incendio.

El hecho de que haya tantos fabricantes interesados en la movilidad eléctrica y tanto dinero destinado a i+D, parece evidente que veremos muchos avances que aumentarán las prestaciones y la conveniencia de los vehículos eléctricos. Poco a poco, iremos abandonando el petróleo como fuente energética primaria en el transporte y nos pasaremos a la electricidad. El ser humano no ha inventado motores más eficientes y fiables que los eléctricos, y el futuro será sin duda eléctrico.

Siguen siendo las baterías el quid de la cuestión, ya que en cuestión de motores no hay mucho más que evolucionar. Pasadas unas décadas, las generaciones venideras no entenderán cómo no seguimos apostando por la electromovilidad desde el principio y perdimos prácticamente 100 años usando un combustible fósil, finito, contaminante y peligroso.

El hidrógeno en pilas de combustible complementará a las baterías y facilitarán el transporte de larga distancia. Ya hay vehículos rodando con hidrógeno, pero son todavía muy caros como para popularizarse. Esta tecnología aún necesita hornearse un poco. La electricidad, en cambio, es una tecnología mucho más madura.