Figura 1. SPAZIO PLUS
Hoy en día, todo el mundo tiene una batería a mano, ya sea en su móvil, su ordenador o bien, en uno de esos coches tan silenciosos que se ven por las calles. Estas baterías en mayor o menor medida trabajan igual, cargando y descargando, una y otra vez. Sin embargo, cuando hablamos de iluminación de emergencia la forma de trabajo de estas baterías cambia drásticamente. La Iluminación de emergencia (IIEE) suele usarse en contadas ocasiones a lo largo de un año, debido a su aplicación y como mucho se descargan debido a los test que deben realizar siguiendo las normativas que regula este tipo de producto, por lo que la batería se encuentra en un modo de carga permanente durante gran parte de su vida. Esto hace que determinar la durabilidad de la batería no se pueda realizar de la forma convencional, mediante ciclos.
No hay que decir, que la batería es el corazón de la IIEE, puesto que sin ella no podrían cumplir con su objetivo principal de iluminar en caso de fallo eléctrico en una instalación, por lo que este componente es de vital importancia que su cuidado y gestión sea de la manera más eficiente y segura.
Hay dos tipos de baterías, en función de su utilidad, las primarias, que se pueden usar una sola vez y las secundarias, que permiten carga y descargar un número limitado de veces. Estas últimas son las que se utilizan en IIEE.
Dentro de las baterías secundarias se pueden encontrar un gran número de tipos, pero las primeras baterías que se empezar a usar fueron las de plomo o plomo-ácido. La aplicación más conocida de estas baterías es como motor de arranque en los coches, pero también se usan en las IIEE, sobre todo en productos centralizados, ya que tiene un precio muy económico y pueden usarse en condiciones de baja y alta temperatura. Sin embargo, las baterías de plomo tienen una baja densidad energética, haciendo que se necesiten baterías de gran tamaño, y su componente principal, el plomo, es tóxico, por lo que se han ido reemplazando por otras tecnologías.
En las luminarias de emergencia las baterías de Níquel-Cadmio (Ni-Cd), han sido el uso más extendido. Estas baterías tenían la particularidad de que no necesitaban un sistema muy complejo de gestión de carga y mantenimiento, por lo que hacía que la electrónica fuera sencilla y barata. Además, el precio de la propia batería es de lo más baratos comparados con otras tecnologías.
El gran problema de esta tecnología es su impacto negativo sobre el medio ambiente, lo que ha hecho que se prohíba el uso en la mayoría de aplicaciones. En IIEE todavía se permite su uso en algunos países debido a su particular funcionamiento, ya que la adaptación de baterías usadas en otros campos no es sencilla.
Para solventar los problemas de las baterías de Ni-Cd, se comenzó a usar las baterías de Níquel-Metal Hidruro (Ni-MH), las cuales tienen un funcionamiento parecido a las anteriores, pero con un impacto sobre el medio ambiente reducido. La principal desventaja de estas baterías son el alto coste que tienen, produciendo que su uso no se haya extendido y haya reemplazado por completo a las de Ni-Cd. Sin embargo, para dispositivos que se encuentran a temperaturas extremas son una buena alternativa, ya que se adaptan mejor que otro tipo de baterías.
Una de las últimas tecnologías que se están incorporando a las IIEE son las baterías de iones de litio. Estas baterías agrupan un gran número de tipos que se nombran en función de algunos de sus componentes. Ese es el caso de las baterías de ferrofosfato de litio (LFP), que reciben el nombre del cátodo de LFP. Entre sus ventajas se encuentra su baja auto descarga, su alta eficiencia, su relativo bajo coste (menor a las de Ni-MH) y su bajo impacto ambiental. Además, durante su funcionamiento no requiere de corrientes de carga permanentes para mantener la batería cargada, reduciendo el consumo de los edificios donde se instalen.
La principal desventaja de las baterías de LFP es la necesidad de sistemas de seguridad que eviten que la batería sufra sobrevoltajes. Esto hace que la electrónica sea compleja y añada costes, pero el bajo precio de la propia batería y su alta demanda por ser un producto de bajo consumo, hace que sea una alternativa muy interesante. Por otro lado, aunque la tecnología de litio lleva muchos años usando en todo tipo de aplicaciones, el modo de operación especial de las IIEE ha provocado que su uso no se haya extendido hasta recientemente. Si sumamos el hecho de que no es un producto estandarizado debido a se pueden encontrar grandes diferencias entre productos de distintos fabricantes (la mayoría procedentes de China), se demuestra que es una tecnología poco madura para las IIEE. Por esto, ZEMPER, en colaboración con IMDEA Energía (Figura 2), está llevando a cabo un proyecto de investigación para adaptar las baterías de iones de litio a las IIEE.
Figura 2. Laboratorio 1 de la Unidad de Procesos Electroquímicos de IMDEA Energía.
Figura 3. Módulos de carga y descarga que permiten el registro de un gran número de ensayos de forma simultánea.
El proyecto BAILEM nace de la colaboración de ZEMPER con IMDEA Energía gracias a las ayudas de la Comunidad de Madrid para la realización de doctorados industriales que se otorgan a los proyectos que se consideran que pueden tener un gran impacto en el desarrollo de la industria. El objetivo final del proyecto BAILEM es el desarrollo de baterías para un uso y condiciones específicos de la IIEE, pero, además, tiene como objetivo responder a las principales dudas que se pueden plantear al usar baterías de iones de litio en las IIEE:
- ¿Cuál es la mejor forma de mantener la batería cargada? Parece una pregunta absurda, pero las baterías de LFP se encuentran más cómodas a bajos/medios estados de carga cuando tienen que pasar largos periodos de tiempo sin hacer ciclos, por lo que optimizar la forma en la que la batería se encuentra a altos estados de carga se vuelve esencial para alargar su vida.
- ¿Cómo detectar de manera rápida el tiempo de vida de una batería? Y una pregunta similar, ¿cuál es la batería que ofrece mayor duración? Ambas preguntas requieren hoy en día ensayos de larga duración (incluso años) para ser respondidas. Por esto, se están desarrollando métodos de ensayos acelerados que permitan responder a estas preguntas en un tiempo mucho menor. Esto se está llevando a cabo gracias a la gran capacidad que tiene IMDEA Energía para realizar ensayos de forma simultánea (Figura 3).
- ¿Cómo le afectan las distintas condiciones de temperatura a las baterías? Las IIEE pueden estar en condiciones muy distintas de temperatura dependiendo del país o el lugar donde se encuentren, por esto, y nuevamente con IMDEA Energía, se están realizando ensayos para estudiar la influencia de la temperatura en las baterías (Figura 4).
- ¿Son todas las baterías con las mismas características de Voltaje y Capacidad iguales? Este proyecto establecerá unas condiciones generales de uso y gestión de las baterías ya que debido a su proceso productivo y los componentes de protección de la batería son distintos en función del proveedor y del proceso de fabricación y aunque parezcan iguales la realidad es diferente y puede afectar a la vida de esa batería. Este proyecto dará respuestas y soluciones a estas peculiaridades
Finalmente, las baterías se han ido adaptando a las aplicaciones en las que se utilizan, como en los coches y en los móviles aumentando la rapidez de la carga o el número de ciclos, sin embargo, al ser una tecnología “reciente” para las IIEE, no se están llevando a cabo grandes progresos para adaptarlas, ni para gestionarlas eficientemente que garanticen una vida útil, que cada vez es más exigente por las demandas del mercado. Por ello, uno de los puntos fuertes en esta colaboración es el desarrollo de una nueva batería específica para la IIEE que mejore el tiempo de vida de las actuales y su comportamiento en diferentes condiciones ambientales.
Figura 4. Una de las cámaras climáticas en IMDEA Energía que permite la realización de ensayos a una temperatura determinada.
Actualmente, el desarrollo de las baterías en IIEE está muy ligado con el desarrollo de baterías para otras aplicaciones. Por ejemplo, las industrias del automóvil o de telefonía móvil están realizando grandes progresos con las tecnologías de iones de litio, produciendo baterías con mayores densidades de energía, mayores velocidades de carga y descarga y/o mayor durabilidad en ciclos. Sin embargo, estas baterías no tienen una rápida aplicación al campo de la IIEE y tendrián que ser adaptadas ya que, aunque están apareciendo baterías con la capacidad de hacer un gran número de ciclos (baterías de titanato de litio como ejemplo), esto no tiene porque relacionarse con una larga duración en IIEE (realizan menos de veinte ciclos al año). Por esto, el desarrollo de las baterías se encontrará muy ligado al desarrollo de métodos de ensayos acelerados que permita medir la duración de las futuras baterías, uno de los puntos principales en los que está trabajando ZEMPER con IMDEA Energía en el proyecto BAILEM.
Articulo redactado por:
Jesús Inocente Medina Santos, ZEMPER
Investigador Predoctoral en IMDEA Energía
