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          Baterías de coches eléctricos e híbridos hoy [estado de la tecnología del automóvil]





          Baterías de coches eléctricos e híbridos
          Las baterías son el elemento fundamental de híbridos y eléctricos. En ellas está la clave de su viabilidad técnica y económica, el principal problema y, por tanto, también el mayor desafío tecnológico dentro de este tipo de planta motriz que parece condenada a conquistar el mundo a cámara lenta.

          Las baterías constituyen ya el presente y tal vez el futuro del coche eléctrico, por lo que es fundamental empezar a conocerlas con detalle


          Para impulsar un vehículo mediante electricidad es necesario poder generar o transportar enormes cantidades de energía eléctrica dentro del propio vehículo. La generación de energía eléctrica a través de una pila de combustible de hidrógeno, ya tratada en esta misma serie de artículos, se presenta como una posible solución a bastante largo plazo. Mientras tanto, las baterías constituyen ya el presente y tal vez el futuro del coche eléctrico por lo que es fundamental comprender su funcionamiento, sus limitaciones, su situación tecnológica actual y sus perspectivas de futuro.

          Fundamentos básicos de una batería





          Empezamos con lo básico.


          Una batería es un conjunto de células, en cada una de las cuales tiene lugar una reacción química reversible en la que se produce un intercambio de iones y electrones entre sus dos polos. En la “dirección de descarga”, se produce una corriente eléctrica que es capaz de mover el motor eléctrico que impulsa el coche, mientras que en la “dirección de recarga” iones y electrones vuelven a su situación original a partir de un aporte de energía externo.


          Las dos características fundamentales, que determinan el comportamiento, rendimiento y duración de una batería son, por un lado, los elementos químicos escogidos para dar lugar a la reacción dentro de cada célula y, por otro, la electrónica que controla todo el proceso de descarga y recarga. Este artículo se centra exclusivamente en la parte química.


          Las células de la batería son su parte esencial, determinando su coste y rendimiento, de forma que la mayoría de los esfuerzos investigadores se encuentran actualmente dirigidos a mejorar este elemento clave. Cada célula consta de un cátodo (electrodo positivo) un ánodo (electrodo negativo) y un electrolito, que separa ambos electrodos y constituye el medio neutral para la transferencia de carga dentro de la célula.
          Antes de entrar en las diferentes químicas posibles, cabe decir que las células pueden adoptar forma prismática, cilíndrica o de plancha, aportando diferentes ventajas e inconvenientes en cuanto a densidad energética, disipación del calor y aprovechamiento del espacio, que las convierten en más o menos adecuadas para los diferentes usos.



          Químicas posibles para baterías de coches eléctricos


          Baterías de coches eléctricos e híbridos

          Las propias baterías de Ion-Litio constituyen una amplia familia de opciones químicas diversas que sólo comparten entre sí el Litio como elemento fundamental


          Últimamente, parece darse por sentado que las baterías de Ion-Litio son las más adecuadas para el uso automovilístico, y posiblemente sea así. No obstante, no es esta la única posibilidad que existe y, de hecho, las propias baterías de Ion-Litio constituyen una amplia familia de opciones químicas diversas que sólo comparten entre sí el Litio como elemento fundamental, pero no el resto de elementos implicados.


          Existen tres tipologías de baterías, atendiendo a su química, cuyo desarrollo actual las hace adecuadas para alimentar el motor de un coche eléctrico: las baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y, finalmente, las baterías de Ion-Litio. Escoger entre los diferentes tipos de baterías es siempre una decisión de compromiso entre densidad energética, potencia específica, costes, seguridad y durabilidad.


          Las baterías de Plomo-Ácido son la opción de bajo coste, y se han utilizado durante décadas para arrancar nuestros motores de combustión. Entre sus ventajas, además del bajo coste y estandarización universal, se encuentran su buena potencia específica (W/kg), buen comportamiento en un amplio rango de temperaturas, buena retención de la carga en el tiempo y son relativamente fáciles de reciclar. Sólo pueden almacenar unos 40 Wh/kg, una densidad energética muy pobre como veremos más adelante.


          Las baterías de Níquel-Metal han sido las preferidas por el archiconocido Toyota Prius durante sus más de 10 años de historia, por lo que han demostrado sobradamente su capacidad para responder con solidez en las entrañas de un híbrido no enchufable. Su potencia específica es correcta, su ciclo de vida largo y no presentan problemas medioambientales, mientras que tienen un alto índice de descarga en periodos de inactividad (pierden el 30% de la carga en un mes paradas) y su coste de producción es algo elevado por incorporar tierras raras en el electrodo positivo. Sus 60 Wh/kg las hace superiores a las de Plomo-Ácido, pero las mantiene todavía cierta distancia del Litio, que, no en vano, es el más ligero de los elementos de la tabla periódica que no es un gas a temperatura ambiente.

          Su voltaje, densidad energética, potencia específica, carga utilizable, eficiencia de recarga y ciclo de vida son muy superiores a las de sus dos rivales, al tiempo que su índice de descarga es mucho menor


          Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchas variedades, parecen estar llamadas a prevalecer, pues sus características técnicas más importantes mejoran sustancialmente a las dos opciones anteriores, si bien introducen también algún que otro problema en la ecuación. Su voltaje, densidad energética, potencia específica, carga utilizable, eficiencia de recarga y ciclo de vida son muy superiores a las de sus dos rivales, al tiempo que su índice de descarga es mucho menor.


          Como inconveniente, cabe señalar su menor robustez ante variaciones de voltaje, que obliga a incorporar costosos sistemas de gestión de las baterías para su protección y correcto funcionamiento. De ello y de su propia composición química se deriva un coste de producción también mayor que sus rivales, tema a tener muy en cuenta dada su extrema relevancia en la competitividad del coche eléctrico.

          Las baterías de Ion-Litio: una colección de posibilidades


          Baterías de coches eléctricos e híbridos

          Aunque hablamos constantemente de baterías de Ion-Litio como si fueran una única cosa, estamos utilizando probablemente una denominación demasiado genérica y que abarca muchas posibilidades

          Las diferentes baterías de Ion-Litio tienen en común entre sí la utilización, en general, de un ánodo de Litio-Carbono y difieren entre sí en el óxido de litio que utilizan en el cátodo. Cada química da lugar a un diferente conjunto de características técnicas y, por tanto, aunque hablamos constantemente de baterías de Ion-Litio como si fueran una única cosa, estamos utilizando probablemente una denominación demasiado genérica y que abarca muchas posibilidades, entre las que se encontrarían las siguientes ya desarrolladas con la tecnología actual:
          Baterías de Litio-Cobalto (Li Co O2) – Densidad energética 170-185 Wh/kg
          Estas son las más extendidas para dispositivos móviles como teléfonos u ordenadores portátiles, pero son difícilmente utilizables en coches porque sólo aguantan unos 500 ciclos de recarga y en caso de accidente y rotura pueden generar reacciones exotérmicas que desemboquen incluso en incendio, lo que sería demoledor para su imagen, por improbable que sea el suceso.
          Baterías de Litio-Hierro-Fosfato (Li Fe P O2) – Densidad energética 90 – 125 Wh/kg


          Son las más seguras, por tener la mayor estabilidad térmica y química. Su densidad energética está en la zona baja, pero se pueden considerar un salto adelante en seguridad y también en durabilidad, con hasta 2.000 ciclos de recarga. Son también las más baratas, junto con las de cobalto, pero estas sí se pueden emplear en automoción para mover híbridos y eléctricos puros sin riesgos.


          Baterías de Litio-Manganeso (Li Mn2 O2) – Densidad energética 90 – 110 Wh/kg


          También son más estables térmicamente que las de cobalto y soportan un mayor voltaje, pero se encuentran de nuevo con una inferior densidad energética. El manganeso no es contaminante.


          Baterías de Litio-Níquel-Cobalto-Manganeso (Li Nix Coy Mnz O2) – Densidad energética 155 – 190 Wh/kg


          Excelente compromiso entre muy buen rendimiento y coste razonable, se empiezan a utilizar en coches eléctricos masivamente. Soportan 1.500 ciclos y voltajes de los más altos.




          Baterías de Litio-Titanio (Li4 Ti5 O12) Densidad energética 65 – 100 Wh/kg


          Son las más duraderas, pues aguantan hasta 12.000 ciclos de recarga (unas 10 veces más que cualquiera de las otras) pero su densidad energética actual es baja y su coste, muy elevado.

          Conclusiones


          Baterías de coches eléctricos e híbridos

          Cada una de las opciones representa siempre una relación de compromiso entre sus diferentes prestaciones, sin existir una opción claramente vencedora en todos los aspectos


          Las baterías necesarias para mover un coche están sometidas a un nivel de exigencia brutal. Por un lado, deben ser capaces de contener una elevada carga con la menor masa posible (densidad energética) para poder competir con la gasolina en la medida de lo posible y salvando las enormes distancias que existen entre ambas formas de almacenamiento energético. Por otro lado, deben soportar rangos de temperatura muy amplios, posibles accidentes y miles de ciclos de recarga.


          Existen en el mercado numerosas variantes químicas de las que aquí sólo hemos recogido las más utilizadas. La lista está abierta a nuevas incorporaciones, fruto de la investigación, pero parece claro que cada una de las opciones representa siempre una relación de compromiso entre sus diferentes prestaciones, sin existir una opción claramente vencedora en todos los aspectos.


          El camino que han de recorrer estos depósitos de energía química es aún muy largo y tortuoso, pero conviene ir conociendo las diferentes variantes que existen, a las que se irán sumando otras combinaciones, para poder seguir la evolución en este importante terreno de innovación tecnológica.
          Fuente: “Global autos: don’t believe the hype – analyzing the costs & potential of fuel-efficient technology” – Bernstein Research & Ricardo – Informe impreso

          En Tecmovia: Litio, ¿el nuevo oro? | Gran paso en la evolución de las baterías de la mano de Envia Systems 



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          El carbón, un fósil muy vivo








          Hace entre 280 y 345 millones de años, en el período geológico de la era Paleozoica conocido como Carbonífero, la acumulación subterránea de los restos de vegetales procedentes de los bosques de helechos dio lugar a las más importantes reservas de carbón del mundo.


          Tras millones de años descansando en paz, allá por el año 1600 unos escoceses notaron que unas rocas negras ardían en el aire. De su estudio pronto se dedujo que no eran piedras, sino un material fósil altamente combustible. A partir del siglo XVI, bajo el reinado de Isabel I, el carbón se empezó a utilizar como sistema de calefacción en las ciudades. Desde entonces en su extracción no ha habido tregua: el carbón es, aún hoy, un fósil muy vivo.




          Tipos de carbón


          Al igual que el petróleo y el gas, el carbón está compuesto por residuos orgánicos que se hundieron hace millones de años por el peso de los sedimentos, hasta transformarse finalmente liberando carbono. Sin embargo, a pesar de haber sufrido procesos de formación similares, no todos los carbones son iguales.


          De acuerdo con el porcentaje de compuestos volátiles que contienen, se distinguen cuatro tipos básicos de carbón natural, algunos con mayor poder calorífico que otros, parámetro a partir del cual se determinan su valor y sus aplicaciones.

          La antracita es el carbón de mayor calidad. Tiene un alto contenido en carbono y escasos componentes volátiles, lo que le confiere un gran poder calorífico al que acompañan unas emisiones bastante reducidas

          Turba (50%-60% de carbono; ≈ 4.000 calorías por kg de carbono). Se encuentra en zonas pantanosas, por lo que tiene un alto porcentaje de humedad. La turba constituye la primera etapa en la transformación de la materia vegetal en carbón, apreciándose en ella los vegetales que le dieron origen.


          Lignito (60%-75% de carbono; ≈ 6.000 calorías por kg de carbono). Se forma por la compresión de la turba, y en su interior a veces pueden distinguirse estructuras vegetales. Se encuentra en minas a cielo abierto, con los problemas medioambientales que ello supone. Se emplea principalmente en centrales termoeléctricas. No produce coque.


          Hulla (45%-85% de carbono; ≈ 8.000 calorías por kg de carbono): La hulla es el siguiente paso en la carrera por la antracita. Se forma por compresión a partir del lignito, y posee unas características como combustible notablemente superiores a las de éste. Suele ser lo que popularmente se conoce como carbón. A nivel industrial se convierte en coque para su uso en la fundición de metales.


          Antracita (95% de carbono; ≈ 8.000 calorías por kg de carbono): La antracita es el último paso en la carrera del carbón. Debido a su baja concentración de elementos volátiles, su ignición es dificultosa, produciendo una pequeña llama azulada. Aún así, es el carbón de más alto nivel, al tener un alto poder calorífico y unas reducidas emisiones de contaminantes.




          El carbón en la actualidad


          Como ya pudimos comprobar en nuestra visita a la sede de Endesa en Madrid, el carbón representa una importante cuota tanto dentro del mix de potencia instalada como del de generación energética de la compañía. No es la única. En total, el mix de generación español (datos proporcionados por REE en su Avance del informe del sistema eléctrico español 2011 correspondientes al 31 de diciembre de 2011) está representado por el carbón en un 12% (12.210 MW), que asciende hasta el 15% cuando hablamos de producción. Esto es: 15 de cada 100 bombillas que se encienden en España lo hacen gracias a este combustible.



          La producción energética con carbón se disparó en 2011, duplicando la cifra de 2010 (15% frente al 8.5% respectivamente), lo que supuso un aumento de las emisiones del sector eléctrico del 25% respecto al ejercicio anterior
          De este avance se extrae que el porcentaje de potencia instalada correspondiente a centrales térmicas de carbón ha aumentado ligeramente respecto al de 2010, cuando se situaba en el 11,5%. Por su parte, la demanda se ha disparado, duplicando los datos registrados en el ejercicio anterior: del 8,5% de 2010 hasta el 15% de 2011.


          Este aumento de la generación con carbón, acompañado de una disminución de la producción de otras fuentes de energía (eólica, hidráulica y nuclear) ha supuesto un más que notable aumento en las emisiones de CO2 del sector eléctrico, que se estiman en 73 millones de toneladas, un 25% más que en 2010.


          Si no perteneces a una familia minera, la producción energética basada en el carbón no es la base de tu sustento y no eres un fiel seguidor de Aznar en su lucha por negar la evidente influencia antropogénica en el cambio climático, entonces pensarás que los datos son aterradores.




          Una tendencia a la alza a nivel mundial


          Desafortunadamente, los datos registrados en España no son una excepción dentro del panorama energético internacional, y que tiemble el medio ambiente si echamos un vistazo al crecimiento de las fuentes energéticas en el periodo entre 2000 y 2010.


          Así, analizando el gráfico que aportamos a continuación de estas líneas, correspondiente a una recopilación de datos realizada por la Agencia Internacional de la Energía, observamos que el carbón es, de nuevo, el claro vencedor. Lo siguen el petróleo y el gas, muy por delante de las renovables. Finalmente encontramos las nucleares, cuya popularidad ha caído en picado en los últimos años, y que actualmente se encuentran en una posición difícil, muy alejada del optimismo nuclear que empapaba al sector energético en la década de los 70.





          Sin embargo, es digno de valorar que en este mismo periodo la tendencia en España fue a la baja. Este combustible suponía el 26% de la capacidad instalada y el 43,2% de la producción total en régimen ordinario en el año 2000, frente a los datos del 11,5% y el 8,5% que hemos visto con anterioridad correspondientes al ejercicio de 2010.


          Por su parte, las renovables no-hidráulicas, alentadas por ingentes partidas de dinero destinadas a subvencionarlas, aumentaron un 10,9% en el mismo periodo: del 1,5% al 12,4%. También crecieron las térmicas de fuel y ciclo combinado, que en el año 2000 tuvieron una contribución del 5,8% al total de la producción bruta en régimen ordinario.




          Conclusiones


          Con estos datos en la mano, es inevitable pensar que el carbón se está imponiendo de nuevo a un ritmo imparable. El principal exponente de la revolución industrial del siglo XIX, olvidadodurante décadas, amenaza con volver a convertirse en la chispa que ilumine al mundo durante el siglo XXI.


          Los combustibles fósiles seguirán siendo imprescindibles durante las próximas décadas, y una buena prueba de esto es la dependencia energética que tenemos de ellos. Frente a unas reservas petrolíferas que se agotan a pasos agigantados, parece inevitable centrar la atención en el carbón: sus reservas se calculan en 160 años, y su localización en países desarrollados y en proceso de desarrollo lo hace especialmente interesante a la hora de trazar una estrategia energética nacional.


          Además, su explotación es infinitamente más barata que la de las energías renovables. Al menos en términos económicos, porque el coste medioambiental parece impagable. En China, país en el que se abre aproximadamente una central térmica a la semana, ya lo están notando: su producción energética es tan contaminante que la polución del coche eléctrico ya supera a la de los motores de gasolina tradicionales.


          Nada excepto una bajada excepcional en el precio de las renovables parece que vaya a revertir esta tendencia. ¿Serán finalmente los sumideros de carbono nuestra única opción contra el calentamiento del planeta?



          Fuente: REE: Informes sobre el sector energético español (200020102011) | El rincón energético | “La explotación de los recursos” (Vol. 10, colección Claves de la Ciencia). | La Enciclopedia del Estudiante (Vol. 11, editorial Santillana).

          Imágenes: Schandschem | Placid casual | Loco Steve (III) | eutrophication&hypoxia
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          El AUTOR de este articulo es :

          El carbón, un fósil muy vivo. Análisis de la creciente demanda de uno de los combustibles más contaminantes

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