Baterías para movilidad eléctrica

JUAN RAMON MORANTE I Director of IREC


Actualmente en España, según datos de 2016 de la Secretaria de Estado de Energía, de 81.571 Ktep empleados en usos energéticos, o si se prefiere de 45.135 Ktep de productos petrolíferos, 37.197 Ktep son destinados al consumo en transporte con las pertinentes emisiones de CO2.


Coche eléctrico ligero mostrando su sistema global de batería o battery pack.


Por el contrario, solo 17.900 Ktep corresponden a la industria y 26.804 Ktep a otros. Consecuentemente, las acciones para reducir las emisiones de CO2 deben afrontar una rigurosa estrategia de transición en el área de transporte, en donde a pesar de la creciente relevancia del transporte aéreo y marítimo, el transporte terrestre continúa siendo su parte más importante.


La alternativa para ello es la progresiva sustitución del transporte basado en la combustión interna con eficiencia fuertemente limitada por las leyes de la termodinámica, ~27%, a modelos del transporte basados en el uso de motores eléctricos con muy elevadas eficiencias, ~97%.


La sostenibilidad de este nuevo modelo está directamente conectada a la composición de la cesta energética. Así hay que tener muy presente que, con la actual composición de la cesta energética europea, un vehículo eléctrico con baterías, BEV, o con una pila de combustible, FCEV, emite en el rango 50-70 g/Km de CO2 y solo se alcanzará 0 g/Km si todas las fuentes de la cesta energética son renovables.


En este contexto, la movilidad eléctrica puede ser instaurada en base a dos sistemas de almacenamiento transportable de energía: baterías o hidrógeno.


En las baterías, la energía eléctrica es almacenada mediante un elemento o molécula química que es reducida al aceptar electrones provenientes del circuito de carga y que posteriormente es oxidada al donar los electrones al circuito exterior. La eficiencia del ciclo depende de la tecnología empleada en la batería pero en baterías de ion litio, la tecnología mayormente implementada a nivel comercial, se sitúa en valores del orden del 95% aunque, las densidades energéticas están todavía en el rango de valores menores de 200Wh/kg, lo que significa que para un automóvil equipado con 40KWh sería preciso transportar más de 200Kg de batería con una autonomía de aproximadamente 17KWh/ 100 Km y tiempos de recarga utilizando la red de baja tensión, 220V y 16 A, condicionada a la disponibilidad de 3,52KW de potencia en un enchufe.


Configuración de las celdas de ion litio: cilíndrica, pouch y prismática.




Por el contrario, el hidrógeno tiene una muy elevada densidad energética gravimétrica, 33,33 KWh/Kg y su utilización es independiente del ciclo del CO2. Por tanto, almacenar eficientemente la energía eléctrica renovable en hidrógeno mediante electrolisis ha sido un reto en estos últimos años habiéndose alcanzado logros muy significativos ya a nivel comercial tanto en costes como en eficiencia. Tanto las mejoras tecnológicas como el progresivo incremento del mercado han llevado a una significativa reducción de costes, de manera que estos ya compiten con los costes de producción de hidrógeno a partir del barato gas natural, (reformado de metano) y ello sin emitir CO2. Asimismo, las eficiencias comerciales de electrolizadores están ya en el rango del 60-65% previéndose más mejoras en el futuro inmediato. Por otra parte, la tecnología tanto de pilas de combustible con vidas medias con objetivos en el rango de las 10.000 horas y eficiencias al entorno del 60%, y las tecnologías de compresión y/o transporte del hidrógeno posibilitan el uso del hidrógeno para suministrar energía para la movilidad eléctrica con eficiencias globales que superan en un 30% a los motores de combustión interna, sin emisiones de CO2 y muy altas autonomías teniendo presente su elevada densidad energética. También hay que reseñar, que la recarga de H2 es mecánica requiriendo a penas algún minuto para 1 Kg de hidrógeno que permite a un automóvil de 120CV recorrer aproximadamente 100Km.


Estas dos opciones plantean una clara disquisición sobre las oportunidades para las baterías o el hidrógeno en movilidad eléctrica.


Considerando siempre un origen renovable de la electricidad para las dos opciones, está claro que el sistema más eficiente es la utilización de baterías para suministrar la energía eléctrica al motor eléctrico, ~ 80%. Sin embargo, la baja densidad energética de las baterías, plantea problemas cuando se debe tener una determinada autonomía diaria y se debe transportar una masa más allá de las típicas pocas toneladas de peso de un transporte urbano ligero. Mayor autonomía diaria y mayor peso del transporte precisan baterías mayores que tanto por peso como por volumen sería inviable incorporarlas al vehículo del transporte. Así para estos casos, más de 100 Km diarios y peso de más de 10 toneladas, la alternativa recomendable pasaría por la utilización de hidrógeno y de una pila de combustible. Para recorridos diarios por debajo de los 70 Km diarios y pesos de pocas toneladas la alternativa recomendable serían utilizar baterías. Aunque esta simple separación tiene sus fronteras difusas, permite diferenciar que, para vehículos urbanos, vehículos ligeros, autobuses cortos, flotas ligeras de reparto… hay que prever el uso de baterías mientras que, para vehículos pesados con largos recorridos, flotas que destaquen por peso o por recorridos o por potencia disponible, (por ejemplo, recogidas de basuras), autobuses articulados de 18m de longitud, autobuses interurbanos, camiones, trenes, ferris… hay que prever el uso de hidrógeno para reemplazar el uso de fuentes de energía fósil en lugar de baterías.


Obviamente, si la tecnología de baterías va mejorando y las nuevas generaciones de baterías alcanzan una mayor densidad energética, de 200 Wh/kg se alcanzan los 500 Wh/kg o incluso más, la frontera difusa entre transporte ligero se irá desplazando hacia las aplicaciones hoy en día cubiertas por el hidrógeno. En esta dirección hay que señalar la fuerte investigación que se está llevando a cabo en este campo, en donde tecnologías como litio azufre, metal aire se están mostrando muy prometedoras. Hoy en día, las celdas básicas de ion litio son mayoritariamente fabricadas utilizando grafito o combinaciones de grafito con silicio como ánodo y diversos materiales como cátodo dependiendo del fabricante, pero típicamente basados en materiales que contienen Li, Ni, Co, Al, Mn, Fe…. Estos materiales son depositados, siguiendo rutas distintas según fabricante, en capas sobre películas de cobre o de aluminio para definir los electrodos entre los que se intercala un material separador y se rellenan de un electrolito líquido propio del fabricante. Éste, apila estos componentes para formar celdas típicamente siguiendo tres configuraciones distintas: planar o pouch, prismática y cilíndrica. A su vez estas celdas, una vez activadas y debidamente testeadas son utilizadas para construir módulos equipados con sensores de temperatura y canales de disipación del calor que son agrupados y complementados con los sistemas de gestión (BMS battery management system) y seguridad de manejo (EDS, electrical distribution system y sistema de refrigeración), definiendo el sistema global de la batería (battery pack) de acuerdo con las especificaciones necesitadas por la aplicación final.


No obstante, a pesar de las interesantes perspectivas comentadas más arriba, el uso de baterías para la movilidad eléctrica se enfrenta con algunos otros mayores problemas:

  1. La degradación dependiendo de las condiciones de uso y/o de recarga de la batería,

  2. el uso de materiales escasos y con problemas geopolíticos,

  3. los costes de la batería,

  4. el reciclaje de baterías,

  5. el uso de la batería como almacenamiento de energía y su gestión en una red inteligente (V2G vehicle to grid y G2V grid to vehicle).

De estos aspectos, el que requiere más atención es el relativo a las condiciones de recarga por afectar la vida media de la batería y a las condiciones de uso y en consecuencia al coste efectivo por unidad de energía almacenada que depende del precio de compra/venta del pack 200-300€/KWh y de la propia vida media. Varios son los parámetros que hay que vigilar para mantener un buen estado de salud o de carga de la batería. Especialmente la profundidad de descarga y la velocidad en que es cargada o descargada la batería constituyen parámetros muy críticos para minimizar la degradación de las baterías. Para comprender estos aspectos hay que mencionar que la intercalación del litio en el interior del material de ánodo, por ejemplo, puede suponer un considerable aumento de volumen y la velocidad con que se hace, así como, el fuerte vaciamiento de litio en la estructura, pueden generar un fuerte estrés mecánico que se libera generando defectos en el electrodo que comportan un considerable aumento de resistencia interna en la batería con la correspondiente pérdida de eficiencia y capacidad en la batería.

“El uso regular de sistemas de cargas ultra-rápidas y rápidas, así como condiciones de uso con demanda o suministros de fuertes picos de intensidad no son muy recomendables para preservar la vida media de la batería.

Por tanto, el uso regular de sistemas de cargas ultra-rápidas y rápidas, así como condiciones de uso con demanda o suministros de fuertes picos de intensidad no son muy recomendables para preservar la vida media de la batería. Tampoco es recomendable, descargar excesivamente las baterías más allá del 30-35% para evitar problemas derivados de la degradación de los electrodos que acortan el número de ciclos de su valor nominal, (3000 a 4000 según fabricante, es decir de 8 a más de 10 años de vida media), encareciendo enormemente sus costes.


Ejemplo de “sistema global de batería” para automóvil o battery pack’s










Aunque estos han ido decreciendo espectacularmente en los últimos años, actualmente se sitúan hacia los 280€/KWh-350€/KWh a nivel de “battery pack” si bien numerosos análisis demandan aún una fuerte reducción que sitúe los costos por debajo de los 100€/KWh a nivel del sistema de batería lo que dejaría en solo 4000€ el costo por automóvil con 40KWh en lugar de los 12000 actuales lo que permitiría tener una mayor competitividad de costes para el coche eléctrico frente a un automóvil ligero de gasolina o gasoil. Al mismo tiempo, la investigación y las industrias fabricantes de baterías trabajan para en 2035 aumentar la vida media a 5000 ciclos lo que equivale a más de 15 años, aumentar la densidad energética, se pretende duplicarla en 2035, disminuir la peligrosidad evitando los riesgos de inflamarse e incrementar el rango de temperaturas de trabajo efectivo. En este último caso, en la hoja de ruta del desarrollo tecnológico asociado al desarrollo de las baterías de ion litio se quiere alcanzar rango efectivo de trabajo de +80ºC hasta -40ºC aspectos que hoy distan bastante de cumplirse.

Paralelamente, se está intensificando el conocimiento sobre el comportamiento de la degradación de las baterías para poder utilizar modelos de predictibilidad sobre la evolución de las propiedades de la batería y su envejecimiento, aspectos que nos puede garantizar el uso de dichas baterías en una segunda vida fuera del transporte o nos puede facilitar el uso de las baterías del coche como elementos de almacenamiento, V2G o G2V, en una red inteligente.


Por otro lado, hay que reseñar que la generalización del uso de baterías debe plantearse dentro de un marco de economía circular. Actualmente, las vías para un reciclaje de materiales y/o componentes de la batería no están todavía totalmente creados y no son usuales. Por el contrario, la previsión de un creciente parque de movilidad eléctrica requiere de la instauración de vías para asegurar el reciclaje adecuado de los materiales contenidos en una batería de ion litio. Aluminio, acero inoxidable, plásticos, cobre, níquel, cobalto, manganeso, litio, grafito, silicio, volátiles orgánicos… constituyen los elementos usuales presentes y susceptibles de programas de recuperación.


Finalmente, conviene reseñar que la típica potencia máxima en el consumo eléctrico según REE está por alrededor de los 40.000 MW. Por otra parte, considerando que en España hay un parque automovilístico del orden de 28 Millones, cuando el parque con movilidad eléctrica alcance el 50%, podrá ya tenerse asumiendo simultaneidad de carga en casi 10 millones de vehículos un aplanamiento de la curva de consumo. Ello, subraya por una parte la necesidad de fuentes renovables con capacidad de almacenamiento para mantener este nivel de consumo ya sea de noche o de día, y, por otra parte, revela la enorme necesidad de revisar y asegurar las prestaciones de distribución de la red eléctrica para asegurar el adecuado suministro de energía eléctrica renovable para movilidad eléctrica dentro de una red eléctrica de calidad.