¿Cómo afectará la degradación a tu batería? Bueno, todas las baterías de ion-litio se degradan con el uso. Lo sabemos por nuestros teléfonos móviles: tras unos años de uso, el tiempo que mantienen la carga disminuye.
Lo mismo ocurre en aplicaciones estacionarias de almacenamiento de energía en baterías. Con el tiempo, el sistema se degrada. Esto reduce la energía total que el sistema puede almacenar. ¿Pero qué causa esta degradación?
Para entender la degradación, debemos volver a lo básico. ¡Hora de una breve lección de química!
Química básica: ¿Cómo funciona una batería de ion-litio?
Las baterías de ion-litio están compuestas por un ánodo (normalmente grafito), un cátodo a base de litio (comúnmente litio-hierro-fosfato (LFP) o litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC)), y un electrolito líquido que separa ambos.
Cuando la batería se descarga, los iones de litio con carga positiva se mueven del ánodo negativo hacia el cátodo positivo a través del electrolito. Este movimiento de iones provoca un flujo de electrones en sentido contrario, lo que genera una corriente, es decir, electricidad. Al cargar la batería, el proceso se invierte, con iones fluyendo del cátodo al ánodo.
¿Por qué esto provoca degradación?
Este proceso químico ocurre cada vez que la batería se carga o descarga. Este proceso genera cambios físicos en la batería, que provocan degradación.
Para empezar, se forma una interfase de electrolito sólido (SEI) en la superficie del ánodo. Esto es causado por la solidificación del electrolito líquido al reaccionar con el ánodo.
Esta capa atrapa iones de litio, impidiendo que fluyan entre el ánodo y el cátodo. Esto finalmente reduce la energía que la batería puede almacenar y entregar.
Otra causa de la degradación es el revestimiento de litio. Esto ocurre cuando se forma litio metálico en la superficie del ánodo porque no puede ser absorbido. Esto captura más iones de litio y puede hacer que la SEI crezca, reduciendo aún más la capacidad energética.
Un exceso de revestimiento de litio también puede provocar la formación de dendritas. Estas acumulaciones excesivas de litio metálico pueden dañar físicamente la batería e incluso causar fallos catastróficos.
¿Cómo cambia la degradación con el uso?
En cierta medida, las baterías se degradan todo el tiempo. Sin embargo, el proceso se agrava cada vez que la batería se carga o descarga.
La carga y descarga se mide en ciclos: un ciclo equivale a una descarga completa de la capacidad energética de la batería.
Esto puede hacerse de una sola vez (por ejemplo, en operaciones de compraventa mayorista), o en pequeñas descargas a lo largo de un periodo más largo (por ejemplo, al prestar servicios de respuesta de frecuencia).
Cuantos más ciclos realiza una batería, más se degrada. La Figura 2 (a continuación) muestra una curva de degradación de ejemplo para un sistema de almacenamiento de energía en baterías, según diferentes tasas de ciclo.
Es habitual que la degradación más severa ocurra al inicio del uso del sistema, llegando hasta un 10% solo en el primer año. La química de la celda, los materiales utilizados y la calidad de fabricación determinarán el grado de degradación.
¿Algunas acciones empeoran la degradación?
La degradación ocurre, en pequeña medida, de forma pasiva, pero se agrava cada vez que se utiliza el sistema. Sin embargo, debido a la naturaleza de la degradación, algunas acciones pueden causar efectos peores que otras:
- Actividades de alta potencia (es decir, uso a máxima potencia).
- Actividades con alta profundidad de descarga (es decir, descargar de lleno a vacío).
- Operación en niveles extremos de estado de carga.
- Operación a temperaturas extremas.
Evitar estas actividades reducirá el impacto de la degradación en la batería. Sin embargo, es común que existan protecciones para evitar las acciones más dañinas (por ejemplo, límites al estado de carga alcanzable).
¿Cómo afecta esto a los ingresos?
Es importante entender cómo la degradación impacta en el modelo de negocio del almacenamiento en baterías.
Compraventa mayorista
La degradación reducirá la capacidad energética del sistema con el tiempo, disminuyendo la cantidad de energía que se puede descargar. Esto reducirá el valor que se puede obtener de las actividades de compraventa.
Servicios auxiliares
La degradación también reducirá la duración efectiva del sistema. Esto significa que ciertos servicios auxiliares ya no podrán prestarse con la misma potencia.
Sin embargo, esto solo ocurre cuando se alcanzan ciertos umbrales; por ejemplo, la Contención Dinámica puede prestarse completamente con solo 30 minutos de almacenamiento. En cambio, la Regulación Dinámica requiere una duración de 2 horas.
Mercado de Capacidad
La degradación también puede afectar a los contratos del Mercado de Capacidad. El almacenamiento en baterías con contratos T-4 debe superar “pruebas de rendimiento extendidas”, demostrando su capacidad para cumplir el contrato durante la duración especificada. La degradación puede poner en riesgo a los sistemas con contratos de 15 años de no poder superar estas pruebas en los últimos años.
En proyectos de mayor duración, la degradación puede llevar a la necesidad de un reemplazo de celdas. Esto renueva esencialmente las celdas de la batería en el sitio, restaurando la capacidad energética que se había perdido por la degradación.
¿Cómo se relaciona esto con las garantías?
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías cuentan con una garantía, es decir, una promesa del fabricante de que no se superará cierto nivel de degradación, siempre que la operación del sistema se mantenga dentro de ciertos límites.
Normalmente, esto implica un número determinado de ciclos por año, pero también puede limitar los ciclos por día, el tiempo de operación en ciertos niveles de estado de carga u otras condiciones. Gestionar estos aspectos mientras se maximizan los ingresos es clave para el rol del optimizador en la operación de baterías.
Como la garantía protege frente a la degradación excesiva, cumplirla puede ser uno de los aspectos más importantes de la operación de la batería. Por ello, la negociación de garantías es una parte fundamental en la adquisición de activos de almacenamiento en baterías.
