Cuba: níquel, fotovoltaica (FV), almacenamiento eléctrico, líneas eléctricas, transporte.

Se pudiera preguntar que hace un fotovoltaico incursionando en estos temas, la respuesta es que ambas son temáticas amplias que se deben abordar integralmente y ambas tienen una arista muy relacionada con la energía FV.

Son conocidas las múltiples aplicaciones que tienen las baterías de almacenamiento eléctrico, desde pequeñas hasta gigantescas. En ese gran espectro de posibilidades abordaremos dos importantísimas aplicaciones, que están en función de:

1. Aumento de la generación eléctrica de las fuentes renovables de energía (FRE).
2. Transporte eléctrico.

Ambas tributan en forma lenta y paulatina a la sustitución de combustibles fósiles.

Es amplia la información que existe y que continúa generándose al respecto, no obstante estimamos que en la arista de las investigaciones científico técnicas y de innovación tecnológica es posible abordar una parte del tema de las posibilidades nacionales en función de encadenamientos productivos.

1.- Aumento de la generación eléctrica de las FRE.

El aporte en % de la generación eléctrica FV a la red con relación a la total entre todas las fuentes de energía eléctrica tiene un límite debido fundamentalmente a su dependencia climatológica y a que solo genera durante el día, que define un nivel máximo en % de penetración e integración FV en términos de potencia y de energía eléctrica, para poder mantener la estabilidad de la red en tensión y frecuencia. Existen diferentes alternativas de corto, mediano y largo plazos para aumentar dicha penetración FV.que hemos expuesto en otros trabajos y abordaremos con mas detalles en próximas “Señales FV.

Una de estas posibilidades es la del almacenamiento de la energía eléctrica en distintas variantes y tipos que se desarrollan, aún algo caros pero paulatinamente sus costos continúan disminuyendo. Entre estas alternativas esta el almacenamiento de electricidad en baterías. Estos sistemas participaran en forma creciente en la acumulación de energía eléctrica, que irá paralelamente resolviendo el carácter intermitente de la FV (también la eólica). El mercado de sistemas de acumulación para sistemas FV fue de 3,2 MW en el año 2012 mientras que el pronóstico de este mercado será de 2700 MW para el año 2017, que representa un crecimiento de unas 700 veces en 5 años.

En la actualidad se está produciendo un notable incremento de la utilización de las baterías de ion–litio, donde una oportunidad futura para Cuba seria la de hacer una sinergia de colaboración futura con Bolivia, Chile y Argentina, los 3 países que tienen las mayores reservas mundiales de litio.

Pero además hay más oportunidades, concretamente se trata de la existencia de baterías de almacenamientos fijos de electricidad en la que tenemos los minerales en Cuba, sobre todo el níquel. Estamos hablando de dos tipos de baterías:

• La batería de Ni-MH (níquel – hidruro metálico)

• La batería de Ni-Fe (níquel-hierro).

2.- Transporte eléctrico.

Centralizado en lineas eléctricas:

El transporte de consumo eléctrico en línea proviene de una generación externa que puede ser de un mix a partir de diversas fuentes la electricidad, una de ellas puede ser de energía FV. De esta forma la energía FV puede hacer un aporte a la red eléctrica de alimentación en el transporte en horas diurnas en correspondencia con la presencia de la luz solar.

El transporte eléctrico puede utilizar líneas eléctricas como en trenes, metro, tranvías, trolebuses.

El aporte de las FRE para estas alternativas está en generar electricidad a una red eléctrica especifica, centralizada o no. Por ejemplo el transporte en masa se puede beneficiar con el aporte de la energía FV que se produce en horas diurnas por grandes instalaciones FV, o sea, este aspecto esta concatenado con el del aumento de la generación eléctrica conectado a redes eléctricas.

Decentralizado por almacenamiento electrico en baterias.

Se trata de la sustitución del transporte que se mueve con combustibles fósiles como autos, camiones, autobuses, motos, lanchas, aviones, etc.

Estas alternativas se basan en la de la existencia de baterías que se mueven junto con el transporte específico.

Las baterías.

Las baterías de Ni-MH(níquel – hidruro metálico) se pintan mas para el transporte y el de Ni-Fe para almacenamiento de la red eléctrica a partir de la FV, aunque ambas se pueden utilizar indistintamente.

Actualmente se está produciendo un espectacular aumento de la introducción de los vehículos de transporte eléctrico, que no solo tienen importancia para la no contaminación del medio ambiente y que no hacen ruido, sino que comienzan a ser económicamente competitivos, aún mas para países como Cuba donde el kWh de FV es mas barato que el fósil.

En 2015, la empresa Tesla Motors presentó dos sistemas de almacenamiento de energía mediante baterías de ion de litio, Tesla Powerwall, cuyo fin es almacenar energía eléctrica proveniente de energías renovables en instalaciones fotovoltaicas o eólicas.

Batería de níquel e hidruro metálico (Ni-MH)

Cada pila de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 voltios y una capacidad entre 0,8 y 2,9 amperio-hora. Su densidad de energía llega hasta los 100 Wh/kg, y los ciclos de carga de estas pilas oscilan entre las 500 y 2000 cargas. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía.

En 2005 se desarrolló una variante de baja auto descarga (low self-discharge, LSD) para estas pilas. Las baterías LSD-NiMH presentan una tasa de auto descarga mucho menor, lo que permite almacenarlas durante largos períodos de tiempo sin dañar la batería por desuso y pudiendo utilizarse de forma inmediata cuando sea requerido. La batería de Ni-MH cuya patente (Ovchinsky) terminó en el 2014 y de la cual ya se habla que hará un espectacular regreso en los autos eléctricos, actualmente incluyen todos los vehículos de propulsión totalmente eléctrica como el General Motors EV1, Honda EV Plus, Ford Ranger EV y el scooter Vectrix. Vehículos híbridos como el Toyota Prius, Honda Insight o las versiones híbridas de los Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic Hybrid también las utilizan. El transporte público de la ciudad de Niza (Francia) cuenta con el tranvía de piso bajo Alstom Citadis.

Batería de níquel-hierro (Ni-Fe)

Fueron hechas con grandes ganancias desde 1903 hasta 1972, hasta 1920 la se usó en coches eléctricos, su gran durabilidad y fiabilidad hizo que en los años siguientes fuera muy utilizada en el transporte por ferrocarril, en la minería y en otras industrias, los trenes norteamericanos desde 1910 hasta 1965 usaron las baterías de níquel – hierro para la iluminación de todo el tren. En 1970 la compañía Eagle Picher de el Reino Unido hizo una campaña publicitaria de una batería Ni-Fe para un auto que “duraría tanto como todos la autos que pudiera llegar a poseer en su tiempo de vida”, o sea, que esta sería la definitiva y única pues jamás tendría que volver a comprar una batería para su auto,

Cuando los que manufacturan baterías de ácido plomo se dieron cuenta de que un acumulador para auto tendría décadas de uso sin tener que cambiarse procedieron a desaparecer la tecnología de la faz de la tierra cosa que lograron en EEUU. La corporación de baterías Exide las descontinuó en 1975. El conocimiento de las baterías Ni-Fe lo desaparecieron de los libros técnicos en la materia para el final de la Segunda Guerra Mundial,

Actualmente existen fabricantes de baterías Ni-Fe en EEUU, China, India y Rusia, los chinos tienen ya 20 años de hacerlas y las han perfeccionado, existe una especial para los autos.

Las baterías de Ni-Fe se fabrican con capacidades de 5 Ah hasta 1000 Ah, no tienen ni plomo ni cadmio que son dañinos a la salud humana. Es una batería muy robusta, tolerante al abuso, (sobrecarga, descarga profunda y cortocircuitos) , puede tener muy larga vida, incluso maltratada, se mantiene cargada cuando no está en uso, permite que la batería retenga el 70%-85% de su capacidad.

Dada que duran toda una vida son ideales para usarse en la energía renovable y perfecta para los paneles FV que también duran por lo menos 25 años. Este tipo de baterías debe de ser conocido y debe de ser de uso popular en las aplicaciones de energía renovable.

El electrólito usado en ésta batería es hidroxido de potasio que es cáustico pero que puede ser reutilizado para fertilizar cuando se diluye en tierras ácidas, el hidróxido de potasio es la sosa cáustica que se usa para destapar cañerías.

• Algunas especificaciones de la batería de Ni-Fe:
• Energía/peso 30-50Wh/kilo.
• Energía/Tamaño 30Wh/l,
• Potencia/peso 100w/kilo.
• Eficiencia en Carga/descarga 65% – 85%.
• Precio al consumidor 1.5 – 6.6Wh / 1 dólar USA.
• Descarga sin uso 10 – 15% mensual.
• Durabilidad de 30 a 100 años. Durabilidad de ciclo (el llenarla y vaciarla) no reduce la vida de la batería significativamente.
• Carga nominal por cada celda 1.2 Volts.
• Temperatura de cargado mínima -40 grados máxima 46 grados centígrados.

A continuación una síntesis de las características de distintos tipos de baterías:

El grafeno y la batería de Ni-Fe

En la actualidad algunas empresas fabrican las baterías de Ni-Fe, sobre todo, para almacenar los excedentes de electricidad generada por paneles solares y aerogeneradores eólicos.

Los investigadores han vuelto a poner sus ojos en estas baterías. Un grupo de científicos de la Universidad de Stanford (EEUU) ha creado una batería ultrarrápida de Ni-Fe que se recarga en dos minutos y se descarga en 30 segundos con la utilización de las posibilidades del grafeno.

La desventaja fundamental de la batería de Ni-Fe esta que posee una eficiencia del 65 %.

Pero con una gran cantidad de ventajas , entre las que están:

• Compuesta por elementos abundantes (níquel, hierro, potasio).

• Cuba tiene níquel que lo explotaría con mayor valor agregado.

• Bajo costo.

• Fácil fabricación.

• Admite sobrecargas, repetidas descargas totales e incluso cortocircuitos con poca pérdida de capacidad.

• No contamina, no contiene metales pesados y el electrolito diluido se puede usar en aplicaciones agrícolas.

• Muy larga vida útil, algunos fabricantes plantean de > 100 años de esperanza de vida en los electrodos y 1000 ciclos de descarga 100 % en el electrolito.

• El electrolito se cambia cada 20 años.

• Funciona en un mayor rango de temperaturas, entre −40 °C y 46 °C.

CONCLUSIÓN

La FV es una gran fuente para la carga de las baterías en distintas variantes, desde redes en líneas eléctricas hasta todo tipo de transporte.

Las baterías juegan un importante papel al respecto. Una variante es hacer una colaboración a nivel de CELAC para el desarrollo de las baterías en base a litio debido alas grandes reservas de Bolivia, Argentina y Chile.

Una gigantesca oportunidad para Cuba esta en la posibilidad producir en un futuro baterías de Ni MH (níquel-hidruro metálico) y las delas baterías de Ni-Fe

Todo lo anterior con vistas a contribuir, juntas con otras soluciones que escapan del marco de este trabajo, a dos tremendos problemas del país: el transporte y la electricidad.

El análisis sobre el estado del arte de estos tipos de baterías y sus posibilidades lo continuaremos brindando en próximas Señales FV.