Análisis de la eficiencia de las baterías convencionales en comparación con las baterías de flujo y su impacto en el medio ambiente en Ecuador
Analysis of the efficiency of conventional batteries in comparison with flow batteries and their impact on the environment in Ecuador
Resumen: El presente trabajo de investigación, está centrado en el impacto ambiental que puede ocasionar las baterías convencionales en comparación de las baterías de flujo. El objetivo se centra en realizar una comparación técnica de la eficiencia de las baterías convencionales y de flujo por medio de un análisis de las características para determinar los costos/beneficio y el impacto ambiental. En la parte metodológica se aplica una investigación básica no experimental, exploratoria- transversal, con un enfoque cualitativo y cuantitativo, y apoyada en un estudio documental, en la que se analiza variables como en la parte económica, costos de implementación, impacto ambiental, características técnicas y costos de implementación. Obteniendo como resultados que las baterías de flujo (vanadio- vanadio, zinc-bromo, vanadio- bromo), presentan mayor eficiencia ya sea por su rendimiento, sistema de instalación, impacto ambiental y costos de adquisición, contado con una vida útil aproximado de 20 años y profundidad de descarga al 100%, operación en condiciones altas, con una escalabilidad llegando a potencias en MW y baja toxicidad; a comparación de las baterías convencionales que a pesar de ser las más usadas, presentan limitaciones a gran escala debido a los límites de ciclo de 2000 ciclos/vida útil y tendiendo una alta toxicidad por los componentes químicos. Es importante implementar tecnologías de almacenamiento que sean resilientes con el medio ambiente y no solo pensando en el costo- beneficio.
Palabras Clave: Acumuladores de carga, baterías de flujo, ciclos de carga, impacto ambiental, rendimiento.
Abstract: This research work is focused on the environmental impact that conventional batteries can cause compared to flow batteries. The objective focuses on making a technical comparison of the efficiency of conventional and flow batteries through an analysis of the characteristics to determine the costs/benefits and environmental impact. In the methodological part, non-experimental, exploratory-cross-sectional basic research is applied, with a qualitative and quantitative approach, and supported by a documentary study, in which variables are analyzed such as the economic part, implementation costs, environmental impact, characteristics. implementation techniques and costs. Obtaining as results that flow batteries (vanadium-vanadium, zinc-bromine, vanadium-bromine), have greater efficiency due to their performance, installation system, environmental impact and acquisition costs, with an approximate useful life of 20 years and 100% discharge depth, operation in high conditions, with scalability reaching powers in MW and low toxicity; Compared to conventional batteries, which despite being the most used, present large-scale limitations due to cycle limits of 2000 cycles/useful life and tending to have high toxicity due to chemical components. It is important to implement storage technologies that are resilient to the environment and not only thinking about cost-benefit.
Keywords: charging accumulators, flow batteries, charging cycles, environmental impact, performance.
I. Introducción
Las baterías han sido un medio de acumulación de la energía eléctrica, que se ha utilizado por más de 100 años, en la que han tenido varias aplicaciones ya sean estos vehículos eléctricos, calculadoras científicas, robots, sistemas renovables, eficiencia energética, entre otros. Profesionales que se dedican a la Dirección de General de Salud Ambiental (DIGESA), determinan la peligrosidad que puede tener las baterías debido a sus composiciones químicas las cuales presentan características como corrosivas, explosivas, reactivas, inflamables y toxicas. En la que el manejo inadecuado una vez que se cumpla la vida útil de los elementos ha sido un problema de tipo ambiental y de carácter social que afecta a todo el mundo (PRENSA, 2017). En donde, la finalidad ha sido de ir mejorando la eficiencia y rendimiento de nuevas tecnologías en base a los acumuladores (Quintero et al., 2021). Dentro de los nuevos paradigmas esta la descarbonización en base a la generación eléctrica con el auge de las energías renovables, en donde las nuevas tecnologías como las baterías de flujo (RFB), son adecuados gracias a la configuración, por las características que permiten escalar en potencia y energía (Páez Viñas, 2021).
Es necesario diseñar e implementar acumuladores que permitan almacenar la energía de una forma eficiente en la que se consideren los costos- beneficios y el impacto ambiental. Siendo importante considerar las diferentes tecnologías que se tienen a disposición para este tipo de proyectos. En la actualidad una de las baterías convencionales más utilizadas son la de Níquel- Cadmio, Plomo-acido, NaS, Li-ion(Quintero, 2021), entre otros; a pesar de su funcionalidad y utilización existen parámetros que dificultan su implementación entre ellos la pérdida de capacidad de almacenamiento, su baja densidad de energía, su toxicidad por componentes químicos, los costes de mantenimiento e implementación. De esta forma se da alternativas como las baterías de flujo REDOX, que permiten el almacenamiento a gran escala con la capacidad de anexar módulos externos para aumentar el almacenamiento de energía(Barbón Núñez, 2018), además, los costos de implementación y de mantenimiento se reducen debido a que la vida útil de estos proyectos es en periodos de más de 20 años. Al realizar una comparación técnica, permitirá determinar cuáles son las tecnologías más viables para la implementación en proyectos de acumulación y que causen menor impacto ambiental, recabando información bibliográfica para el fortalecimiento de la investigación.
II. Métodos
En la parte metodológica se aplica una investigación básica no experimental, exploratoria- transversal, con un enfoque cualitativo y cuantitativo, y apoyada en un estudio documental, en la que se analiza variables como en la parte económica, costos de implementación, impacto ambiental, características técnicas y costos de implementación. Donde, se recolecto información de las diferentes fuentes documentales para el análisis de la eficiencia en base a las características de las baterías convencionales y de flujo, determinando su costo- beneficio y el impacto ambiental.
Dentro de la selección de la población se ha considerado las baterías que son las más comercializadas dentro del entorno geográfico. Además, se ha realizado una comparación técnica entre los diferentes acumuladores determinado el que tiene menor impacto ambiental ya sea por la vida útil, costos y componentes químicos que la constituyen. Las fichas técnicas y de construcción, son esenciales permitiendo tener los datos necesarios para la comparación del caso de estudio.
III. Análisis
Las baterías son una gran alternativa para el almacenamiento de energía eléctrica. En la que las baterías de tecnologías convencionales como las de iones de litio se han sido los más difundidos e implementados en los diferentes sectores residenciales, industriales o comerciales. A pesar de ellos tienen características que pueden ser mejoradas al implementar nuevas tecnologías como las baterías de flujo las cuales ofrecen beneficios como la larga duración, baja toxicidad y ciclos regulares durante todo el día.
Almacenamiento Por Baterías
Utilizan procesos electroquímicos, donde se almacena la energía eléctrica y tienen la capacidad de devolver al sistema(Zanotto et al., 2019). Dentro del mercado se les conoce con diferentes nombres entre ellas acumuladores o pilas, compuesto de los siguientes elementos principales electrodos, ánodo y cátodo, siendo en esta parte donde se produce el fenómeno de oxidación y reducción respectivamente(Cerón & Soto, 2004). Entre los diferentes tipos de baterías de almacenamiento se tiene:
- Baterías de Ión Litio, Li- ion,
- Baterías de níquel cadmio, NiCd.
- Baterías de plomo ácido, Pb- ácido, y
- Baterías de sulfuro de sodio, NaS.
Al realizar los proyectos es importante que se determine la potencia total de la carga, ya que de esto dependerá el dimensionamiento de las baterías, en donde se deben considerar conceptos como los ciclos de carga- descarga, profundidad de descarga, entre otros. A continuación, se detalla la formula que identifica la potencia total:
Donde:
Potencia total.
P: Potencia de carga
h: horas de funcionamiento
Dentro de los parámetros importantes se tiene, la profundidad de descarga de la batería, en el que se considera tanto la descargar total y la diferencia de la profundidad de descarga (DOD).
Donde:
Profundidad de descarga de la batería.
Descarga total de la batería.
Profundidad de descarga proyectado.
Almacenamiento De Energía En Baterías De Flujo
El sistema de almacenamiento de baterías de flujo, se refiere a todas las sustancias químicas reactivas (parejas redox) y electrolito que son las que hacen parte de este sistema, las cuales se encuentran en estado líquido(Pastor et al., 2022). Para el dimensionamiento de la energía que se va almacenar está relacionado con el tamaño de los tanques y la potencia del tamaño del stack, las cuales se presenta de forma independiente y con la capacidad de ser escalables según los requerimientos(Galindo et al., 2021). Una de las principales ventajas que tiene este sistema es el de recarga rápidas, en las que se pueden implementar tanques externos para que sean bombeados dentro de los stacks de celdas(Casas Avery, 2022).
A continuación, se presentan los tipos de baterías de flujo, que se pueden encontrar en el mercado:
- Hierro-cromo, Fe/Cr,
- Bromo-Polisulfuro,
- Vanadio-Bromo,
- Zinc- Bromo, y
- Vanadio-Vanadio.
Ventajas Y Desventajas De Las Baterías Convencionales
A continuación, se describen las diferentes ventajas y desventajas de las baterías como tecnología de almacenamiento. En la Tabla I. se especifica las ventajas y desventajas que tiene las diferentes baterías convencionales en las que se hacen referencia a las que se disponen en el mercado (Ortiz Perugachi, 2018).
Entre las características que se deben analizar dentro de las baterías, son las que se encuentran detalladas en la Tabla II. En la que se consideran densidad de energía, rango de energía, rango de potencia, ciclos de carga y descarga, el rendimiento, entre otros (López Sánchez, 2019).
Ventajas Y Desventajas De Las Baterías De Flujo
Las baterías de flujo al tener diferentes principios de funcionamiento, disponen de distintos químicos para el almacenamiento de energía de esta forma en la Tabla III, se establece cuáles son las ventajas y desventajas de cada una de estas:
Tabla I
Ventajas y desventajas de las baterías convencionales
|
Tecnologías |
Ventajas |
Desventajas |
|
Baterías Níquel- Cadmio (Ni-Cd) |
|
|
|
Baterías Plomo-ácido (Pb-ácido) |
|
|
|
Baterías NaS |
|
|
|
Baterías Li-ion(Tessone et al., 2021) |
|
|
|
Baterías de flujo |
|
|
Tabla II
Características de baterías convencionales
|
Baterías convencionales |
||||
|
Detalle |
Ión-Litio |
Plomo-Acido |
Sodio-Sulfuro |
Níquel-Cadmio* |
|
Densidad de Energía (MJ/m3) |
10,8 – 14,40 |
60-180 |
540 |
60 (Wh/kg) |
|
Rango de Energía (MJ) [6] |
36000 |
144000 |
172800 |
|
|
Rango de Potencia (MW) |
0,1 – 10 |
0,1-10 |
0,1-10 |
0,1-10 |
|
Tiempo de Carga y Densidad |
H-min |
H-min |
Horas |
Horas |
|
Ciclos de Carga/ Descarga |
4500 |
2500 |
4500 |
1500 |
|
Rendimiento (%) |
94% |
90% |
80% |
85% |
|
Mínimo Estado de Carga (%) |
10% |
20% |
10% |
|
|
Carga mínima de operación recomendada |
20% |
50% |
||
|
Tensión a circuito abierto (V) |
||||
|
Coste de Instalación (USD/kWh) |
619 |
420 |
333 |
|
|
Coste de Mantenimiento al Año (USD/kWh*año) [6] |
3,5 |
2,34 |
3,5 |
Elevado |
Entre las características técnicas que disponen las baterías de flujo se pueden mencionar la densidad de energía, el rango, potencia, tiempo de carga y descarga, ciclos de carga y descarga, rendimiento, mínimo estado de carga, carga mínima de operación recomendada, tensión de circuito, membrana y transportador de carga(López Sierra, 2020). La información de detalla en la Tabla IV.
Tabla III
Ventajas y desventajas de las baterías de flujo
|
Tecnologías |
Ventajas |
Desventaja |
|
Batería Vanadio-Vanadio (V) |
|
|
|
Baterías Zinc-Bromo (Zn-Br) |
|
|
|
Baterías Hierro-Cromo (Fe-Cr) |
|
|
|
Baterías Bromo-Polisulfuro |
|
|
|
Baterías Vanadio-Bromo (V-Br)(Moreno Yerro, 2020) |
|
|
Tabla IV
Características de baterías de flujo
|
Detalle |
Vanadio-Vanadio |
Zinc-Bromo |
Hierro-Cromo* |
Bromo-Polisulfuro* |
Vanadio-Bromo* |
|
Densidad de Energía (MJ/m3) (Wh/L) |
25-35 |
39 |
10 |
35 |
35-75 |
|
Rango de Energía (MJ) |
36000 |
36000 |
|||
|
Rango de Potencia (MW) |
0,1-100 |
0,1-100 |
|||
|
Tiempo de Carga y Densidad |
Horas |
Horas |
Horas |
Horas |
Horas |
|
Ciclos de Carga/ Descarga |
20000 |
12000 |
>2000 |
3000 |
3000-5000 |
|
Rendimiento (%) |
90% |
75% |
70% |
67% |
75% |
|
Mínimo Estado de Carga (%) |
5% |
10% |
|||
|
Carga mínima de operación recomendada |
10% |
25% |
30% |
40% |
25% |
|
Tensión a circuito abierto (V) |
1,26 |
1,83 |
1,18 |
1,4 |
1,35 |
|
Membrana |
Catiónica |
Catiónica |
Aniónica o catiónica |
Catiónica |
Catiónica |
|
Transportador de carga |
|||||
|
Electrolito soporte |
Ácido sulfúrico |
Ácido sulfúrico |
Ácido clorhídrico |
Ácido sulfúrico |
Ácido clorhídrico, ácido bromhídrico |
|
Electrodos |
Grafito fieltro, fibras de grafito |
Carbón activo, grafito |
Fibra de carbono |
Carón activo |
Carbono, composites de grafito |
|
Temperatura máx. de operación () |
50 |
45-50 |
30-55 |
35 |
45 |
|
Coste de Instalación (USD/kWh) |
817 |
450 |
|||
|
Coste de Mantenimiento al Año (USD/kWh*año) |
11,68 |
15,18 |
Discusión
En el mercado eléctrico latinoamericano, existe una gran variedad de tecnología para la generación eléctrica entre las principales fuentes de generación resaltan las centrales hidroeléctricas, solares, fotovoltaicas (Barbón Núñez, 2018). Predominando la generación hidráulica, donde la localización geográfica y los diferentes recursos hídricos han sido factores importantes para su implementación. Sin embargo, las energías renovables han sido una alternativa que ha ido en crecimiento, las cuales necesitan de acumuladores para almacenar la energía eléctrica para luego ser suministrados al sistema(Cardozo et al., 2020). Dentro del mercado eléctrico se tiene a disposición baterías convencionales (ion-litio, plomo—acido, sodio-sulfuro), y las baterías de flujo (vanadio-vanadio, zinc-bromo, vanadio-bromo), las cuales van variando desde su rendimiento, sistemas de instalación y costes (Paul, 2018).
Las baterías convencionales son las más empleadas en estos sistemas de generación, sin embargo al incorporar las baterías de flujo al sistema permite tener una duración de la vida útil de más de 20 años, según el autor (Rivero Bermúdez, 2021), detalla que las baterías de flujo es una tecnología de creciente interés de los diferentes investigadores, debido a que constan de buenas características. Además, han presentado dificultades como la profundidad de descarga y los diferentes efectos al no tener un proceso adecuado de funcionamiento y mantenimiento, entre ellos el efecto memoria que reduce la capacidad de almacenamiento(Agüeros Díez, 2021). Adicional a ello se menciona que las baterías convencionales como la de Litio tienen desventajas como la duración, vida útil de 3 años, el número de carga es limitado a 1000 ciclos como máximo, son costosas por la forma de fabricación, tienen a sobrecalentarse ya que están compuestas de materiales inflamables y la capacidad de rendimiento en bajas temperaturas se reducen hasta un 25% (bateriadelitiorecargable, 2023). Entre las ventajas de las baterías de flujo se pueden trabajar en temperaturas altas, y ser considerados para el dimensionamiento para proyectos en MW y la energía en MWh, los componentes químicos que integran son menos invasivas (Paul, 2018).
Hay que tener en consideración que los elementos químicos que hacen parte de las baterías convencionales, está el plomo entre las más utilizadas, caracterizadas por alto impacto en el medio ambiente ya que son toxicas; dentro de la implementación en proyectos a gran escala se encuentran limitados y la duración, debido a la vida útil se limita ya que tiene ciclos de descarga de hasta 2000 ciclos. Así también, otras de las baterías convencionales utilizadas actualmente son las de ion de litio, las cuales tienen características favorables como la alta eficiencia y la densidad de potencia, pero enfrentan problemas de escalabilidad al ser implementadas en grandes proyectos y los costes de instalación y producción son altos(Quintero, 2021).
Ciclos De Carga Y Descarga De Las Baterías Convencionales Y De Flujo.
Para realizar un análisis entre las diferentes baterías y con ella determinar a la vida útil de los elementos son los ciclos de carga y descarga, en la que dependiendo del componente electroquímico se determinará el periodo de funcionamiento de los equipos. A continuación, en la fig. 1 se visibiliza los ciclos de carga y descarga que tienen las dos tecnologías (convencionales y flujo)(Escudero-Quintero et al., 2021).
Figura I
Ciclos de carga y descargar de baterías convencionales y de flujo.
El componente electroquímico que resalta entre las baterías se encuentra las de flujo la que se encuentran conformado de Vanadio-vanadio, la cual dispone de 20000 ciclos de carga y descarga siendo la que tiene mayor vida útil, seguida de la batería de zinc-bromo, la cual tiene 12000 ciclos de carga/descarga (Vásquez Arroyave, 2020). Entre las baterías convencionales que son utilizados con más frecuencia dentro del mercado se encuentran las de Ión-Litio y la de plomo acido, las cuales tienen un rango de ciclos de carga y descarga de 2500-4500.
Impacto Ambiental De Las Baterías
Los efectos del impacto ambiental pueden perdurar a lo largo del tiempo, o pueden ser considerados estacional cuando el impacto no es de gran magnitud recuperándose el entorno, transformable cuando se pueda recuperar de los daños pero es probable que jamás pueda ser como antes y permanente cuando sea definitivo dada la gravedad y perdurabilidad (Lipari, 2020).
Las baterías han sido uno de los elementos más utilizados en los sistemas industriales, energías alternativas, vehículos, entre otros (Calle Buestán & Valverde Galán, 2023), en entornos de almacenamiento de energía para el suministro eléctrico residencial, industrial, generación, salud, etc. El desarrollo constante de esta tecnología ha promovido un conocimiento profundo y multidisciplinario; el principio de funcionamiento de los acumuladores consta de celdas constituidos de materiales tóxicos(Ibáñez Sales, 2019). Siendo un factor decisivo en varios países para la implementación de políticas de recolección, reciclaje, reutilización, disposición y tratamiento final, para mitigar el riesgo en los consumidores y el medio ambiente (Bocchi et al., n.d.).
Es importante considerar que los acumuladores se encuentren constituidos de contaminantes como el magnesio, plomo, mercurio, cadmio, litio y níquel, donde se debe considerar ciertas medidas de seguridad para que no pueden ser causantes de contaminación tanto del aire, suelo y agua (Villa & Cuesta, 2019). En el que se considere la reducción o eliminación del impacto ambiental.
IV. Conclusiones
En el mercado ecuatoriano se dispone de diferentes tecnologías, como las baterías convencionales (ion-litio, plomo-acido, sodio- sulfuro), y las baterías de flujo (vanadio- vanadio, zinc-bromo, vanadio-bromo); las cuales se caracterizan por su funcionalidad, rendimiento, sistema de instalación, impacto ambiental y costes. Donde estas últimas ha presentado mayor eficiencia ya que tienen una vida útil aproximada de 20 años, profundidades de descarga al 100%, operación en condiciones altas, escalables llegando a potencias en MW, con una baja toxicidad. En la actualidad las baterías de plomo acido que son una tecnología convencional y las más usadas, presentan limitaciones en la implementación de proyectos a gran escala debido al límite ciclos de 2000 ciclos/vida útil, la composición química es toxica causando un impacto negativo en el medio ambiente. Es importante según vaya avanzando la tecnología con respecto a los acumuladores e ir analizando y comparando sus efectos en el entorno y sustituyendo por mejores alternativas no solo por los costos sino también la resiliencia con el medio ambiente.
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