Los acumuladores son el componente neurálgico de todo sistema solar fotovoltaico que está desconectado de la red eléctrica principal (denominados sistemas off-grid), ya que son los encargados de almacenar la energía que produce el sistema. Los acumuladores representan un buen porcentaje del costo total de los sistemas solares fotovoltaicos, y son los componentes que deben sustituirse con más frecuencia durante la vida útil del sistema. Por ello, es de vital importancia maximizar la vida útil de este componente, eligiendo el banco de baterías más adecuado y, optimizando el diseño para que se acople lo mejor posible a los patrones de consumo del usuario final.

Los sistemas solares fotovoltaicos, y en general cualquier sistema de respaldo de energía, utilizan un tipo muy particular de batería o acumulador que se denomina batería o acumulador de ciclo profundo. Los acumuladores de ciclo profundo son un tipo de batería que permite una descarga mucho mayor sin sufrir daños, y no deben confundirse con las baterías automotrices.

Conocer a las baterías de ciclo profundo pasa por entender cuál es el funcionamiento básico de un acumulador, lo que nos permitirá entender como a partir del diseño de sus electrodos surgen los distintos tipos de baterías que existen en el mercado. Es muy importante conocer la diferencia con las baterías automotrices y, saber el porqué no deben utilizarse estas baterías automotrices en un sistema solar fotovoltaico.

1.- Tipos de Baterías

Existen muchos tipos diferentes de batería en el mercado mundial, y cada uno de ellos tiene un objetivo o uso específico. Para el desarrollo de este artículo he decidido clasificar a las baterías en tres grupos, de acuerdo con su uso comercial principal en:

• Batería automotrices
• Baterías de ciclo Profundo
• Baterías industriales

1.1.- Baterías automotrices

Las baterías automotrices son muy bien conocidas por todos nosotros, y son esas que utilizamos casi a diario para encender nuestro automovil. Como sabemos, esas baterías vienen en una gran diversidad de modelos y tamaños, que dependen de las necesidades de nuestro vehículo. Y allí está un punto importante a considerar: ¿Tú comprarías una batería que no corresponda con tu marca y modelo de vehículo? Por supuesto que no lo harías, porque sabes que esa decisión puede causar daños al vehículo o simplemente la batería morirá en muy poco tiempo. Pues, lo mismo ocurre con tu sistema solar fotovoltaico, con el detalle de que cada sistema solar fotovoltaico es un modelo y tamaño único en su especie, y por tanto, la selección del banco de acumuladores o baterías debe hacerse con mucho cuidado para que todo funcione a la perfección.

Las baterías automotrices están diseñadas para proveer grandes cantidades de corriente, para que sean capaces de mover el motor de tu vehículo por breves momentos, hasta que el alternador se hace cargo de producir su propia electricidad. Pero como te habrá ocurrido en más de una ocasión, si intentas muchas veces encender el vehículo sin éxito, la batería se descarga en un santiamén. Y eso tiene mucho sentido, porque la batería en cada intento genera varios centenares de amperios en muy pocos segundos, y eso mi querido amigo es mucha, mucha energía, en muy poco tiempo. Por suerte, una batería automotriz está diseñada para que se pueda cargar casi tan rápido como se descarga, y en muy poco tiempo la batería vuelve a su carga nominal.

Si intentamos utilizar una batería automotriz en nuestro sistema solar fotovoltaico, sin lugar a dudas que esta funcionaría a la perfección durantes las primeras dos o tres descargas; pero luego, iremos notando rápidamente como ya el sistema no acumula energía o no funciona de manera adecuada. Y la razón de ésto es muy simple, las baterías se han dañado. Los paneles solares, producen muy poca potencia eléctrica, y las corrientes que producen no suelen ser lo suficientemente grandes como para cargar adecuadamente a una batería automotriz. Además, en los sistemas solares fotovoltaicos usualmente se realizan descargas profundas de la batería, y en estas condiciones las baterías automotrices no funcionan adecuadamente, ya que no fueron diseñadas para este fin. De hecho, una batería automotriz no debería nunca ser descargada por debajo del 80% de su carga útil, so pena de causar daños irreparables a la batería.

Cuando hablamos de profundidad de la descarga, nos referimos a que porcentaje de la energía que tiene disponible la batería o acumulador llegamos a utilizar, antes de volver a cargar la batería. Por ejemplo, si a una batería le consumimos el 20% de la energía disponible, decimos que la hemos descargado hasta el 80% de su valor. Si consumimos el 50% de la energía disponible, entonces eso es una descarga mucho más profunda. Por supuesto, lo ideal sería poder utilizar el 90% o 100 % de la energía disponible en una batería; pero para poder hacer esto, la batería tiene que estar diseñada con esa intención. Ese tipo de batería es lo que se conoce como una batería de descarga profunda o de ciclo profundo.

1.2.- Baterías de Ciclo profundo

Una batería de ciclo profundo está diseñada para que pueda descargarse mucho más que las baterías automotrices sin sufrir daños. En una batería automotriz sólo deberíamos utilizar como máximo un 20% de la energía que tiene disponible la misma, so pena de causar daños irreparables. En el caso de la baterías de ciclo profundo, éstas pueden utilizar hasta un 80% de la energía disponible y no sufrir tanto daño en sus electrodos. Aunque realmente lo usual es sólo descargar las baterías como máximo hasta un 50% de su valor, porque así se garantiza una mayor vida útil del acumulador.

Otro detalle que es quizás más importante que la profundidad de la descarga, es el número de ciclos de carga y descarga de una batería. Cada vez que una batería se utiliza y se descarga casi por completo (en la automotrices es usar el 20% de su energía y en las de ciclo profundo un 50% de su energía), ésta necesita volver a cargarse. Bueno, eso es un ciclo de carga y descarga. Resulta que las batería automotrices están limitadas por su diseño a unas pocas decenas de ciclos de carga y descarga; mientras que las baterías de ciclo profundo están diseñadas para unos 1000 ciclos de carga y descarga en promedio. Esto es muy importante para los sistemas solares fotovoltaicos, donde las baterías se utilizan a diario y prácticamente cumplen un ciclo de carga y descarga por día. Si utilizaramos una batería automotriz, en unas cuantas semanas ya dejará de funcionar dicha batería.

Una característica de las baterías de ciclo profundo es que producen menos corriente que sus equivalentes automotrices. Así, podemos encontrar con relativa facilidad baterías automotrices con especificaciones de 12 voltios 800 AH @ 20H, mientras que en los acumuladores de ciclo profundo las baterías más grandes están por el orden de 12 voltios 220 AH @ 20H. Una batería automotriz trabaja tranquilamente a corrientes de 80 a 100 amperios, mientras que una batería de ciclo profundo trabaja típicamente con corrientes de 5 a 20 amperios. Esto quiere decir que si usted intenta encender un vehículo con una batería de ciclo profundo; o no enciende el vehículo; o si el vehículo llega a encender, entonces es probable que la batería sufra daños por la enorme cantidad de corriente que debió producir para arrancar el vehículo.

Como vé, así como las baterías automotrices no deben utilizarse para sistemas solares fotovoltaicos o sistemas de respaldo, las baterías de ciclo profundo no deben utilizarse para las aplicaciones tipo automotriz o de grandes consumos instantáneo. Cada acumulador se diseña para una aplicación particular y no debe utilizarse fuera de esas condiciones particulares para las que fue diseñado.

1.3.- Baterías Industriales

Pero, ¿Qué pasa si necesitamos producir grandes corrientes por tiempos prolongados con descargas profundas? Pues, para eso también hay un tipo de baterías, y son las baterías industriales. Cuando se necesita un consumo alto de energía, y a la vez profundidad de la descarga, entonces las dos únicas opciones son; o una batería industrial; o un gran y enorme banco de baterías de ciclo profundo cuyo precio sería prohibitivo.

Las baterías industriales son un tipo de acumulador que es capaz de producir grandes corrientes y a la vez sus electrodos resisten una descarga profunda sin dañarse. De hecho, las batería industriales son capaces de producir hasta varios miles de amperios de manera instantánea, y virtualmente no tienen límite más que el costo de la instalación.

Por lo general, las baterías industriales se suelen vender en “celdas de 2 V”, y si usted necesita una batería de 48 voltios por ejemplo, entonces deberá adquirir 24 celdas y conectarlas en serie para obtener su batería final. Este tipo de batería se suelen utilizar en las torres de telecomunicaciones o como respaldo en los sistemas de transporte subterráneo tipo metro.

2.- ¿Como funciona un acumulador o batería?

Para comprender mejor las diferencias que existen entre los acumuladores, hay que entender como es que funciona una batería por dentro, al menos de manera básica.

Parafraseando un poco, hacer una batería no es para nada complicado. Lo que se requiere es sumergir dos metales distintos en un electrolito. Un electrolito es una solución que es capaz de conducir la corriente eléctrica, como por ejemplo una solución de agua con sal. Resulta que si usted coloca dos metales disimiles en un electrolito, entre los dos metales se desarrolla una diferencia de potencial, que depende de la naturaleza de cada metal. Pero no sólo se crea una diferencia de potencial, sino que además si usted conecta con un cable eléctrico por fuera de la solución electrolítica a esos dos electrodos, se produce una corriente eléctrica que fluye de un electrodo a otro. Pero lo importante no es que se produzca una diferencia de potencial, ni una corriente eléctrica en ese sistema, sino el hecho de que ambos se producen de manera simultánea, y eso mi querido amigo, lo transforma en un aparato muy especial, que se llama celda de potencia. Resulta que para nosotros no es importante la corriente eléctrica ni el voltaje, sino que se produzca potencia eléctrica, que es lo único que es capaz de hacer trabajo. Como la potencia eléctrica se define como la multiplicación del voltaje por la corriente, ambas deben existir de manera simultánea para que haya potencia eléctrica, y eso es precísamente lo que ocurre en una batería.

Por ejemplo, la batería más famosa del internet es la batería hecha con una papa. Si usted introduce un clavo de hierro en una papa, y por otro lado introduce un pedazo de alambre de cobre; usted obtiene una batería, así de simple. En este caso, la papa funciona como el electrolito que es capaz de conducir la corriente, y el clavo y el alambre de cobre funcionan como electrodos. Por supuesto, esta batería es de muy baja potencia y de muy poca utilidad.

2.1.-Electrodos de trabajo

Para poder obtener una batería de gran potencia eléctrica es necesario maximizar el voltaje y la corriente que se produce de manera simultánea en las celdas de potencia. Para aumentar el voltaje lo que se necesita es encontrar dos metales que sean capaces de crear una gran diferencia de potencial, y esos metales se denominan electrodos. Podemos mezclar una gran cantidad de electrodos, pero la mayoría no llega a producir grandes diferencias de potencial. Existen pocos los que logran cumplir con esos requisitos, y los más utilizados se muestran en la siguiente tabla.

Estas celdas de potencia o baterías funcionan gracias a que se produce una reacción química, normalmente del tipo óxido-reducción, entre el electrolito y alguno de los electrodos. La reacción química normalmente se lleva a cabo sobre la superficie de uno de los electrodos, al cual llamamos electrodo de trabajo. Como resultado de la la reacción química con el electrodo, se produce un compuesto que se deposita sobre la superficie, y por un desbalance neto de carga se termina liberando electrones, que son los que producen la corriente eléctrica de la batería o celda. La batería se mantiene funcionando hasta que la sustancias que se están formando recubren totalmente al electrodo de trabajo, y ya no queda superficie disponible para que siga ocurriendo la reacción química. En este caso decimos que la batería se ha agotado o descargado.

2.2.- Baterías Recargables

Estas sustancias que se van depositando sobre la superficie de los electrodos, en muchos casos quedan tan bien adheridas que es casi imposible removerlas. En ese caso, se dice que la batería es deschable ya que no se puede seguir utilizando para producir potencia.

Pero, hay electrodos donde es posible remover las sustancias que se forman sobre su superficie. Normalmente, lo que hay que hacer es regresar los electrones que fueron liberados durante la formación del recubrimiento, y de esta manera se puede volver a “limpiar” las superficies del electrodo. Al hacer ésto, la superficie de los electrodos quedan nuevamente libres para iniciar las reacciones químicas otra vez. En este caso, decimos que la batería se ha cargado.

Por supuesto, las baterías que nos interesan para nuestro sistema solar fotovoltaico deben ser recargables, para poder utilizarlas todos los días. Los paneles solares fotovoltaicos lo que hacen es cargar la baterías al suplir los electrones que son necesarios para “limpiar” la superficie de los electrodos. Pero, esa “limpieza” de los electrodos tiene su costo. Cada vez que se “limpia” el electrodo, lo que realmente se hace es decapar la superficie del electrodo, es decir, que durante cada ciclo de carga y descarga, el electrodo se va consumiendo y llega un momento, en que casi ya no queda electrodo para continuar con las reacciones químicas. En este caso, la batería está “muerta” y ya cumplió su ciclo de vida útil.

2.3.- Diseño de Baterías

Como vemos, las corriente eléctrica que produce una batería dependen de las reacciones sobre la superficie de los electrodos. De hecho, para producir más corriente, lo que se necesita hacer es aumentar la superficie de contacto con el electrolito, y de esta manera se incrementa drásticamente las reacciones con los electrodos. Aquí es donde cada fabricante hace el diseño de su batería. Por ejemplo, para una batería automotriz que requiere enormes corrientes para encender un vehículo, lo que se hace es crear dentro de la batería una gran cantidad de electrodos muy finos, de tal manera que haya más superfice de contacto, y producir así mucha corriente. Pero esto crea un problema, al ser los electrodos muy finos, cuando se vuelven a cargar la batería y se limpian dichos electrodos, éstos terminan acabándos muy rápido porque precisamente son muy finos. Es decir, una batería automotriz tiene muy pocos ciclos de vida. El otro problema, es que como hay una enorme cantidad de pequeños electrodos con una enorme superficie, se requiere de muchos electrones para poder limpiar todos esos electrodos. Es decir, una batería automotriz debe cargarse con corrientes muy grandes para hacerlo correctamente. Y allí no terminan los problemas, porque al ser una gran cantidad de electrodos, es muy difícil lograr limpiar todas las superficies de todos los electrodos, y como son baterías que generan mucha corriente, y eso significa mucho calor, entonces las sustancias que se forman sobre los electrodos suelen pegarse cada vez mejor, complicando los procesos de carga de la batería.

Ahora, en el caso de diseño de baterías de ciclo profundo, lo que se hace es justamente lo contrario de las baterías automotrices. Es decir, las baterías se diseñan con electrodos de trabajo mucho más grandes, que tienen una superficie de contacto con el electrolito mucho más pequeña. Esto trae como consecuencia que este tipo de baterías no es capaz de producir grandes corrientes. Pero tiene ciertos beneficios, como que al cargar la batería y “limpiar” la superficie del electrodo, se pierde muy poco material del electrodo de trabajo. Esto significa que este tipo de baterías tienen una mayor cantidad de ciclos de carga y descarga. Al mismo tiempo, se requieren corrientes mucho más pequeñas para cargar dichas baterías, corrientes que si pueden ser generadas de manera relativamente fácil por nuestros paneles solares fotovoltaicos.

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3.- Conclusión

En conclusión, una batería de ciclo profundo es un acumulador o batería que está diseñado con grandes electrodos de trabajo; que permite generar corrientes eléctricas relativamente bajas; que puede realizar varios centenares de ciclos de carga y descarga; y cuya profundidad de descarga es relativamente alta, hasta cerca del 50% de la energía que tiene disponible.