Vehículos eléctricos, portátiles, teléfonos, aspiradoras inalámbricas, perros robots (¿qué?). Todos tienen algo en común. Las baterías de ion-litio los alimentan y su capacidad para almacenar energía disminuye con el tiempo. El almacenamiento a escala de red se enfrenta a las mismas leyes de la física que tu amigo canino robótico: las baterías se degradan según diversos factores, incluyendo el entorno (por ejemplo, temperatura), el tiempo y el uso (por ejemplo, ciclo de trabajo, profundidad de descarga y más). Para los propietarios de activos, gestionar la degradación de las baterías es gestión de activos. En este hilo, explicamos las consideraciones clave.

Nota: este es un tema de intensa investigación y, como ocurre con cualquier tecnología incipiente, el mundo aún está resolviendo cómo funciona todo...

¿Qué es la degradación de baterías?

Las celdas de ion-litio funcionan mediante el movimiento de iones entre los electrodos positivo y negativo. Este concepto es tan antiguo como las primeras baterías (más de un siglo), y en teoría, este mecanismo debería funcionar para siempre. Pero, por supuesto, la teoría ≠ la realidad. En la práctica, los componentes de una celda de batería (electrodos, electrolito, colectores de corriente y aditivos) sufren cambios físicos y químicos durante su funcionamiento, lo que reduce la energía almacenable (capacidad) y disminuye la potencia máxima que puede entregar la celda.

Estos cambios físicos reducen el rendimiento y pueden ocurrir más rápido o más lento, dependiendo de cómo se operen las celdas.

En pocas palabras, operar las baterías de forma ‘intensa’ reduce su rendimiento más rápido que operarlas de manera ‘suave’.

Métricas, métricas, métricas

Ciclos - ‘ciclos’ es un término ampliamente utilizado para contar el número de cargas y descargas completas de una batería. Esta cifra suele ser neta y acumulativa. Por ejemplo, no es necesario hacer una carga del 100% de una sola vez. En su lugar, se puede realizar a través de varias cargas pequeñas que suman el 100% (es decir, un ciclo). Al hablar de ciclos, ten en cuenta dónde se mide: algunas personas cuentan los ciclos en las celdas de la batería (es decir, en el lado de corriente continua de los convertidores de energía), y otras los miden en otros puntos (lado de corriente alterna, conexión a la red medida, etc.). Estas diferencias pueden incluir o excluir las pérdidas del resto del sistema, lo que puede cambiar completamente la métrica.

Estado de carga (SoC) - el nivel de carga en una celda en relación con su capacidad, normalmente mostrado en % (0% = vacío, 100% = lleno). Para algunas celdas de ion-litio, operar dentro de un rango restringido puede extender la vida útil de la celda. Por ejemplo, operar la celda solo entre 20% y 80% de SoC.

Profundidad de descarga (DoD) - una métrica que a veces se usa en lugar de SoC, que muestra cuánta carga se ha extraído de la batería en relación con la cantidad total de carga (es decir, DoD = 100% - SoC).

Estado de salud (SoH) - una métrica sobre el estado de una celda en comparación con las condiciones ideales, normalmente mostrado en %. Este indicador suele usarse junto con la capacidad energética como referencia de degradación. El primer día de puesta en marcha, se espera que el SoH esté muy cerca del 100%. Un activo que ha estado en operación durante un tiempo tendrá un SoC de <100%.

Temperatura (T) - la temperatura tiene un gran impacto en el rendimiento y la degradación de las celdas. Las celdas pueden calentarse mucho y muy rápido, por lo que los sistemas de enfriamiento son fundamentales aquí. También es importante mantener las celdas por encima de una temperatura mínima (normalmente 10-20°C) para un rendimiento óptimo.

¿Qué datos tenemos sobre la degradación de baterías?

Comencemos con la investigación académica:

Los datos (aplicables) sobre degradación de baterías son escasos. Es cierto que hay muchos datos de pruebas de investigaciones académicas sobre degradación de celdas. Sin embargo, estas investigaciones suelen centrarse en una sola celda o pequeños grupos, y en su mayoría para otros usos (como vehículos eléctricos, aviación, electrónica de consumo), que tienen características diferentes al almacenamiento a escala de red (por ejemplo, disposición de celdas, temperaturas, perfiles de carga). Además, los ensayos en laboratorio tienen limitaciones de tiempo, coste y espacio, lo que obliga a los investigadores a simular y hacer suposiciones.

Probar la degradación durante 10 años lleva, bueno, 10 años. ¿Alguien quiere alargar su doctorado una década? Lo dudo.

Es común simular, extrapolar o acelerar los ciclos (¿10 años de ciclos en 1 año, tal vez?). El coste también es un reto: adquirir un contenedor de 40 pies lleno de celdas de batería (solo para degradarlas) es una tarea cara, así que la investigación tiende a reducir la escala a bancos de pruebas más manejables. Esto es sensato, pero aún así no refleja todas las dinámicas de la operación en el mundo real: carga térmica y sistemas de refrigeración dentro de los contenedores, variaciones de temperatura estacionales, cortes y más. Vale la pena mencionar aquí al Centro de Investigación en Almacenamiento y Aplicaciones de Energía Eléctrica (CREESA), dirigido por la Universidad de Sheffield, que ha adquirido, construido y opera un sistema de almacenamiento de energía de 5MW exclusivamente para investigación académica – un gran mérito. Sin embargo, no podemos aplicar los datos del sistema CREESA a otros activos en el Reino Unido porque utiliza celdas de litio-titanato, una química de celda indudablemente superior a la mayoría, pero también muy costosa y, por tanto, no utilizada en otros lugares del país. En resumen sobre la investigación académica de degradación de celdas: se está haciendo un trabajo fantástico, pero sigue habiendo una separación entre la investigación y el uso real para el almacenamiento de energía a gran escala. Los datos aplicables sobre degradación de activos de almacenamiento a escala de servicio público siguen siendo difíciles de conseguir.

¿Qué podemos aprender sobre degradación de baterías a partir de activos operativos?

El mercado de almacenamiento de energía en Gran Bretaña está madurando; cerca de 1GW de almacenamiento a escala de red instalado en unos 60 activos en los últimos 5 años proporciona muchos datos de ‘aplicaciones reales’. Sin embargo, los propietarios y fabricantes tienden a mantener estos datos en privado. La mayoría de los activos operativos en GB tienen entre 1 y 4 años y han funcionado principalmente en servicios de respuesta de frecuencia (como FFR).

Según relatos anecdóticos sobre acuerdos de garantía de celdas, creemos que la mayoría de los activos operativos en GB mantienen una capacidad útil del 90-95% (es decir, una degradación de batería del 5-10%). Pero esto es garantizado, no real.

¿Qué dicen los fabricantes sobre la degradación de baterías?

En general, los fabricantes suelen adoptar un enfoque conservador y especifican la vida útil de las celdas de ion-litio en función del número de ciclos completos de carga/descarga, pero esto simplifica la operación real. Una regla general en la industria: espera conservar entre un 75-85% de la capacidad energética tras 10 años para tu activo de almacenamiento operando en 1,5-2 ciclos diarios (para un sistema de 1 hora). Esto, por supuesto, depende de muchos supuestos sobre especificaciones, perfil de carga y uso.

Medición de la degradación de baterías

Durante la vida útil de tu activo, medir la degradación de las baterías será crucial para ser un ‘operador informado’ y especialmente importante si la degradación de la batería forma parte del contrato de garantía de las celdas. Con garantías extendidas de hasta 15 años, las mediciones regulares son vitales. En algunos casos, las pruebas de degradación pueden determinar si el fabricante debe reemplazar el equipo o pagar una compensación (£££), por lo que el régimen de pruebas debe acordarse de antemano y quedar por escrito en el contrato.

La forma más completa de medir la degradación de una batería es realizar una prueba de capacidad energética. El sistema se carga al 100% de SoC y luego se descarga de forma continua a una potencia determinada hasta alcanzar el 0% de SoC (es decir, una descarga de 1 hora a potencia nominal desde 100% a 0% SoC). Esta es una excelente prueba de rendimiento porque es muy ‘intensa’, lo que también pondrá a prueba los servicios auxiliares (como el sistema de enfriamiento). Sin embargo, estas pruebas en sí mismas provocan cierta degradación de la batería (imagina recoger tu coche del taller y descubrir que tiene 1.000 km más en el odómetro). Para reducir el estrés de estas pruebas, algunos fabricantes aconsejan realizarlas a menos del 50% de la potencia nominal o restringir los niveles de SoC (es decir, descargar del 80% al 20% de SoC y extrapolar). El debate sigue abierto.