miércoles, 4 de junio de 2014

Apuntes sobre Baterías de vehículos eléctricos 3: Futuro y otros elementos de almacenamiento.

Apuntes sobre Baterías de vehículos eléctricos 3: Futuro y otros elementos de almacenamiento.
Por Beamspot.

Vista la problemática de las baterías de litio, el siguiente paso que se suele dar es que el futuro nos va a deparar algunas sorpresas. Veamos pues algunas de las apuestas interesantes que hay ya ahora sobre la mesa.
Uno de los puntos de mayor incidencia sobre la temática del almacenamiento eléctrico, es la potencia específica, más que la densidad de energía. Es más, como ya se ha visto, están interrelacionadas, y por tanto trabajar en un sentido puede ser contraproducente en el otro.
Sin embargo, especialmente en el punto más destacable en estos momentos de los vehículos eléctricos es precisamente el que más potencial puede tener si tenemos en cuenta un par de asuntos que ya se han explicado, pero cuyas implicaciones e interrelaciones no se han visto.
El primer punto, es el problema de la densidad de potencia en descarga que pueden dar las baterías de litio. Una batería grande puede dar una potencia grande, por ejemplo, una batería de 50KWh puede dar con relativa facilidad 50KW de potencia de una manera sostenida sin tener que sobre dimensionar en exceso los terminales, y por tanto, con una densidad de energía mejor que si intentamos sacar la misma potencia de un pack de 25KWh. Pero 50KW sigue siendo una potencia baja, y al ser la batería más grande por sí misma, y por tanto más pesada, hará falta más potencia de motor para mover un vehículo más pesado.
Sin embargo, la diferencia de precio, peso y tamaño, aunque no es lineal y es más favorable (mayor densidad de energía, menor precio), no implica que la batería al completo no sea cara. Así que hay que reducirla al mínimo.
Y semejante reducción siempre se hace sobre los terminales, para dejar más espacio al litio, pero sobre todo y ante todo, por precio. Los números cantan, y explican muy bien algunas de las variables que condicionan las baterías y el futuro del vehículo eléctrico, así como algunas estrategias de diseño que se explicarán en breve.
Un Opel Ampera (o Chevrolet Volt en las Américas) tiene una batería de alrededor 180Kg de peso, para una energía total de 16,2 KWh. Esto, en carbonato de litio (Li2CO3), representa unos 17,1 Kg si contamos alrededor de 200g de litio puro por KWh. En plástico, electrónica y elementos varios no habrá más de 18Kg. Lo cual nos deja con 150Kg de materiales varios propios de la batería (terminales, electrolito y carcasa exterior de aluminio, básicamente). Es fácil pensar que más de 50 Kg serán sólo de cobre, y se puede estimar que el aluminio será otro tanto, tirando por lo bajo. Si consultamos en Internet los precios de las diferentes partes, considerando el carbonato de litio de grado de baterías, con pureza del 99,5% o superior, tenemos los siguientes precios brutos en dólares por tonelada [1]. Como nota comparativa, también figura el precio del cobalto, que no se utiliza para las baterías de los vehículos eléctricos, pero sí para otros tipos de baterías de litio, y que es la variante de mayor densidad de energía.
Cobre: 7100$/tonelada
Aluminio: 1700$/tonelada
Carbonato de Litio: 6600$/tonelada
Cobalto: 31000$/tonelada


Esto nos deja con 355$ de cobre, 85$ de aluminio puro, y 112,86$ de carbonato de litio. Si hay que bajar precios, es evidente dónde meter la tijera, aunque el cableado interno va a ser difícil de reducir.
Dicho de otra manera, o tiramos de aluminio, que al ser voluminoso es el que más baja la densidad de energía, o bien tiramos de cobre, que aunque baja la densidad de energía en menor medida, dispara mucho el precio (y el peso). El litro de cobre pesa tres veces más que un litro de aluminio, casi 9Kg/litro frente a 2.7, y conduce la electricidad alrededor de un 80% más. También cuesta más del triple. La plata es mejor conductora del calor y de la electricidad que el cobre, uno de los pocos elementos mejores para esta aplicación, pero es fácil adivinar porqué no se usa.
Y utilizar baterías con electrodos al cobalto, aunque tenga mayor densidad de energía (y más peligro), también es más caro, además de requerir más litio (ahí es donde está el peligro: se puede usar la mitad si no se quiere provocar otra reacción más peligrosa). Lo cual significa que hace falta 8.5 veces más, en peso, de Cobalto que de Litio, y encima, hace falta más litio, cerca de 300g por KWh. Es decir, unos 2.5Kg de Cobalto por KWh, y por tanto, 1270 $ de Cobalto para la batería del Ampera.
¿Queda espacio, es posible, una mejora de la capacidad de las baterías? Por supuesto, seguro, obviamente que sí. La capacidad de las baterías va aumentar, así como la densidad de energía y la energía específica, sin mucho detrimento de la potencia específica. Con eso, aumentará la autonomía de los vehículos eléctricos. Pero esperar que dicha autonomía se doble es ser muy optimista. Y para poder comparar, es básico limitar un punto sumamente importante: ¿a qué precio?
Para mejorar la densidad de energía y la energía específica, interesa bajar al máximo la demanda de potencia de las baterías para así poder reducir al máximo la cantidad de elementos ajenos al almacenamiento de por sí. Por supuesto, alguien se quejará que esto hará que las baterías se carguen más lentamente, aunque esto en realidad sólo limitará las cargas rápidas, no las recargas normales, pues el factor limitante NO es la densidad de potencia de las baterías, es la red eléctrica, o mejor dicho, la instalación eléctrica doméstica, como se verá en las últimas entregas de esta serie.
Si la recarga rápida no es el punto candente, ¿cuál es pues la mayor demanda de potencia sobre las baterías? Evidentemente, es el motor. De hecho, las grandes demandas de potencia por parte del motor son puntuales, cortas. Los acelerones a todo gas no duran más de unas decenas de segundo. La media es más baja en general, quizás las cuestas obliguen a apretar más el pedal, pero difícilmente tanto como cabría esperar.
Así pues, resulta que para cubrir sólo un pequeño porcentaje de la demanda, dimensionamos las baterías para cubrir los máximo de potencia, lo cual es un sobredimensionado para el resto, mayoritario, de casos. Un elemento clásico en el dimensionamiento eléctrico.
Otro punto que hay que recordar, es el del frenado regenerativo. La potencia de frenado es directamente proporcional al peso (malo) y a la velocidad. Frenar un coche de tonelada y media a 50Km/h, suavemente a 0.1g, significa 20.25KW de potencia de frenada. La batería del Ampera apenas acepta 25KW de potencia de recarga cuando ésta está en la zona central de carga (alrededor del 50%), menos para estados de carga más elevados, tal y cómo se comentó.
Si el mismo coche pesa ya 1900Kg en lugar de 1500, y va un poco más rápido o frena un poco más fuerte, resulta que aunque lleve un motor de 111 KW de potencia, no podremos frenar más de manera regenerativa que los 25KW que asimila la batería, y menos según el estado de carga. La primera implicación evidente es que no nos libramos de los discos de freno. Evidentemente, las baterías de automoción están pensadas para soportar un cierto abuso, pero limitado.
La segunda implicación es que frenadas fuertes, aun incluso en ciudad, no permiten recuperar toda la energía cinética posible debido a la limitación de la densidad de potencia intrínseca de las baterías. Es decir, uno de los puntos más interesantes, apenas se puede aprovechar debido a este problema, y por tanto, la autonomía, especialmente en conducción urbana, se resiente. Y para colmo, estamos hablando de muy pocos Wh, repetidos muchas veces, eso sí, igual que los picos de demanda de potencia.
Por tanto, resultaría interesante ver si hay algún elemento de almacenamiento con una gran potencia específica, aunque tenga una densidad de energía baja, puesto que éste podría suplir los picos de demanda, que son cortos y por tanto con relativamente pocos Wh reales de consumo, pero sin problemas para manejar potencias de centenares de KW.
De esta manera, podríamos reducir la C de las baterías al mínimo de consumo medio, pongamos que dimensionadas para 30 - 40 KW, lo cual para una batería de, por ejemplo 88KWh significa 0.5C, y por tanto, con los electrodos mucho menos voluminosos y caros. Un ahorro sin duda. La estrategia de Tesla. Ojo: ahorro en €/KWh, que no en el precio total de la batería que al tener más KWh, también cuesta más dinero que la de, por ejemplo, el Ampera antes mencionado, de 16.2KWh.
Sin embargo, hace falta añadir este elemento de alta potencia específica  y todos los extras necesarios. Porque resulta que ya existe este elemento, relativamente novedoso, y encima en dos variantes: los supercondensadores o ultracapacitores [3], y sus sucesores los LIC’s (Lithium – Ion Capacitors) o Bacitores [4], [5].
Se trata de elementos de almacenamiento puramente eléctricos, con lo que no funcionan como las baterías, y tienen una curva de carga bastante peor, pero ofrecen densidades de potencia un orden o dos de magnitud por encima de las baterías, puesto que el factor limitante es geométrico, mecánico: los electrodos antes mencionados, de aluminio en estos elementos. Además tienen una vida útil muy superior: mientras las baterías tienen hasta 10000 ciclos de carga/descarga, estos elementos pueden ser cargados y descargados millones de veces sin alterarse, con corrientes enormes, y con un rendimiento superior al de las baterías (99% frente al 95% de las mejores de litio). Tampoco tienen tantos problemas con la temperatura como las baterías, con márgenes de temperaturas de funcionamiento más elevados (de -40 a 60 – 80 ºC), con lo que reducimos el volumen y peso al eliminar todo el sistema de refrigeración del pack, ahora innecesario. El rendimiento más elevado también significa que hay menos calor que disipar, y encima, el principio de funcionamiento, al no necesitar apenas volumen para el almacenamiento químico, el electrolito interesa que sea lo más fino posible, reduciendo así parte del volumen. Con toda probabilidad su vida útil real será superior a la del automóvil propiamente dicho. El hecho de usar aluminio también reduce el precio, en detrimento del volumen total. De hecho, la energía específica está por debajo de las baterías de litio, y muy difícilmente se le va a acercar.
Pero añadir estos elementos novedosos tiene varios puntos en su contra. El primero es que añaden coste, el segundo, que añaden circuitería extra y más electrónica de control, todo con sus ventajas e inconvenientes. Sin embargo, abaratan la batería, y ésta además de ser más barata, también es más pequeña y más ligera, y probablemente el ahorro es superior al gasto de añadir todos estos extras.
El siguiente punto es la novedad de todo este concepto, debido a que son tecnologías relativamente nuevas. Veamos más de cerca de que trata esto.
El primer elemento, tanto por estado de desarrollo como por tiempo a sus espaldas, son los supercondensadores, también llamados Electrical Double Layer Capacitors o EDLC. Los primeros desarrollos se hicieron en los años 60 del siglo pasado, y se han ido mejorando desde entonces, si bien durante muchos años se ha centrado en el aumento de la capacidad por volumen, pero con poca potencia, pensando en alimentar circuitos electrónicos, de bajo consumo (mA o uA) durante días. El interés en su uso en sistemas de potencia es algo más tardío, pero ya se lleva utilizando bastantes años para muchas cosas, entre ellas, para dar potencia a los motores de continua de arranque de grandes motores de combustión, como grandes camiones, motores marinos, etc. También hace años que se empezaron a usar en sistemas fotovoltaicos y eólicos.
Grandes esfuerzos se han hecho en las dos últimas décadas en esta dirección (potencia y capacidad)  para varios usos, puesto el interés eléctrico para ellos va bastante más allá de los vehículos eléctricos. Dada la enorme potencia específica que son capaces de desarrollar estos componentes (entre 3 y 15KW/Kg), dentro del rango de potencias necesarias para un vehículo eléctrico, la investigación se centra sobre todo en aumentar la densidad de energía. En este aspecto, la Wikipedia no es suficientemente precisa.
El siguiente paso es una evolución de esta tecnología, mezclándola con las baterías. El resultado es que se sustituye uno de los dos terminales eléctricos por el terminal equivalente de una batería de litio. Con esto se dobla la capacidad (en Faradios) directamente, y se sube la tensión de trabajo, baja para los EDLC’s, 2,5V, a 3,8V, con lo que la energía final se cuadruplica en el mismo volumen, con mínimos efectos secundarios. Y sin embargo, la densidad de potencia prácticamente se mantiene: el factor limitante, como ya se apuntó, es  geométrico, de las medidas de los electrodos más que de otra cosa. Esta tecnología tiene posibilidades de acercarse a la de las baterías de Litio en cuanto a densidad energética y energía específica. Incluso de superarla por precio.
Este tipo de ‘supercondensadores híbridos’ recibe varios nombres: Bacitor (de BAttery capACITOR) o de LIC, Lithium Ion Capacitor, en contraste con LIB o Lithium Ion Battery. Los primeros aparecieron en el mercado comercial hacia mediados de 2009, aunque hasta 2010 no empezó la venta real. Algunos productos, especialmente pensados para motores eléctricos ya están ahora disponibles en el mercado basados en esta tecnología [5].
También hace ya algunos años que se han empezado a hacer pruebas de funcionamiento de vehículos híbridos no enchufables sustituyendo la batería de NiMH que usaban por supercondensadores, con resultados espectaculares en todos los frentes: eficiencia, potencia, tamaño, peso y precio [6]. Incluso hay otros aparatos asociados a vehículos híbridos (incluyendo los start stop) que usan la tecnología de los supercondensadores en vehículos que se pueden encontrar en el mercado en estos momentos (Mazda, Citröen, Peugeot), y hay también muchas en desarrollo (BMW, Audi, Mercedes, Toyota, Ford, GM).
Incluso algunos de estos sistemas se han usado ya en las carreras de resistencia. Las 24H de Le Mans están dominadas por vehículos híbridos, aunque basados en volantes de inercia, puesto que los Toyota que utilizaban la tecnología de supercondensadores no terminaron la carrera. Es cuestión de tiempo que los supercondensadores sean estándar en este tipo de carreras para hacer de KERS (Kinematic Energy Recovery System, o sistema de recuperación de la energía cinética) [7].
Si esto no ha llegado aún al mercado, es por varias razones, empezando por lo nuevo que tienen estos sistemas, como ya se ha comentado, junto con otros factores asociados a los procesos de diseño, validación, comercialización, producción, vida útil, legislación y otros temas asociados al sector de la automoción, muy poco conocidos por aquellos que no trabajan en esta industria, pero que tienen una gran influencia en los plazos, y que condicionan mucho el futuro de todo el sector automovilístico. Esto es harina de otro costal: la problemática de la producción de automóviles eléctricos e híbridos es muy compleja, y puede llegar a ser determinante. Pocas veces se ha abordado este punto de vista, pero esto es ya otra historia para otro día.

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