(12) La batería de plomo-ácido

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Homo_non_sapiens
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#1 (12) La batería de plomo-ácido

Mensaje por Homo_non_sapiens » 30 Ene 2019, 09:30

Este hilo se complementa con el titulado "Elucubraciones sobre àcido y plomo": viewtopic.php?f=9&t=176

Habíamos dicho que una batería se parece a un cubo de agua, en el que se puede meter y sacar agua (cargar y descargar la batería). Lo que se carga y descarga en una batería son electrones, partículas con carga eléctrica. Una de las diferencias con el cubo es, que el agua siempre sigue siendo agua líquida, mientras los electrones no se guardan pululando libremente dentro de la batería, sino que están "atados" a ciertos compuestos químicos. Es decir, cuando se carga la batería, tienen lugar ciertas reacciones químicas (reversibles), que capturan los electrones. Y cuando se descarga la batería, esas mismas reacciones químicas transcurren en el sentido opuesto y se liberan electrones

Hay muchos tipos de baterías, de plomo-ácido, de litio, de NiCd etc.; aquí solo vamos a hablar del primer tipo, la batería de plomo-ácido, porque sigue siendo la más habitual en FV. Estas baterías funcionan con ácido sulfúrico (H2SO4) y plomo (Pb), que reaccionan entre sí. Cuando la batería está cargada, las placas son plomo (Pb, placa negativa) y dióxido de plomo (PbO2, placa positiva) y el ácido sulfúrico se encuentra en dilución concentrada en el electrólito. Cuando la batería está descargada, el azufre (S) del ácido sulfúrico se encuentra en forma de sulfato de plomo (PbSO4, cristalitos blancos pegados a las placas), y hay poco ácido sulfúrico en el electrólito. Dado que el ácido sulfúrico tiene una densidad de 1.84g/ml, la densidad del electrólito indica el estado de carga de la batería (SoC, State of Charge): Cuando el SoC es de 100%, la densidad es alta (1.24-1.29g/ml, según fabricante) y cuando el SoC es de 10%, la densidad es baja (~1.08g/ml)
Nota: La concentración de H2SO4 en el electrólito, estando la batería cargada a tope (SoC 100%), es de 30-34%

Mucho cuidado con esto: La densidad solo indica correctamente el SoC de la batería, si la concentración inicial del ácido sulfúrico en el electrólito es la prescrita por el fabricante! Si por ejemplo se añade ácido sulfúrico, la densidad aumentará, pero esto no significa que la batería mejore! Al contrario, si hay demasiado ácido en el electrólito, los cristales de sulfato no se pueden disociar completamente y se reduce la capacidad de la batería! Lo mismo ocurre si falta ácido en el electrólito: También se reduce la capacidad de la batería

Pongo las reacciones electroquímicas, para los puristas ("e(-)" es el símbolo del electrón)
- Placa positiva: PbO2 + 2H2SO4 + 2e(-) <---> 2H2O + PbSO4 + SO4(--)
- Placa negativa: Pb + SO4(--) <---> PbSO4 + 2e(-)
Estas dos reacciones se pueden expresar en una sola: PbO2 + 2H2SO4 + Pb <---> PbSO4 + 2H20 + PbSO4
A la izquierda están las dos placas (PbO2 y Pb) y el ácido sulfúrico; a la derecha tenemos sulfato de plomo en las dos placas y agua

Estas reacciones son reversibles, es decir, la batería se puede cargar y descargar muchas veces, pero no infinitamente. Las placas se desgastan, formando un poso negro en el fondo de la batería, y los cristales de sulfato de plomo crecen, y ya no se disocian completamente (residuos blancos en la batería). La vida útil de una batería se puede medir en ciclos de carga y descarga completos; según modelo de batería está entre menos de 100 y más de 1000 ciclos completos. Al final de su vida útil, una batería tiene ~70% de su capacidad inicial; después pierde capacidad rápidamente, hasta su "muerte" definitiva
Ejemplo: Pongamos que una batería (buena) tenga una vida útil de 800 ciclos completos. En un sistema FV "standard", el ciclaje diario es de ~30%, es decir, un ciclo se completa en ~3 días. Entonces, 800 ciclos son ~2400 días o 6-7 años de vida útil. Si se cicla menos, una batería buena puede "vivir" más de 10 años; pero una batería "mala" con ciclaje profundo puede "morir" a los 2 años - o antes

Hay tres tipos de baterías de plomo-ácido:
- Baterías de plomo-ácido abierto, con el electrólito líquido
- Baterías AGM (Absorbent Glass Matt), en las que el electrólito es absorbido por capas de fibra de vidrio entre las placas
- Baterías de gel, en las que el electrólito está gelificado
Para un sistema FV estacionario, la mejor opción es una batería de electrólito líquido, a pesar de requerir el control periódico del nivel del electrólito. La razón es porque solo estas baterías se pueden desulfatar ecualizando (ver el capítulo "Fases de carga ..."), prolongando mucho su vida útil
Las baterías AGM y de gel tienen la ventaja de que se pueden tumbar, sin derramar el electrólito, por lo que son idóneas para autocaravanas, barcos etc. Otra ventaja es que son libres de mantenimiento. Pero son mas caras y su vida útil es más corta que la de una batería de ácido abierto

Respecto al tipo de carcasa hay que distinguir los vasos individuales (de 2V) de las baterías monoblock (de 6V, 8V o 12V)
- Un vaso es el elemento básico de una batería de plomo-ácido, de 2V. Consta de varias placas positivas y negativas en paralelo, según su capacidad. Son recipientes altos con gran cantidad de electrólito, aptos para descargas profundas y que pueden llegar a gran capacidad (más de 1000Ah). Un vaso de buena calidad puede "vivir" hasta 800-1200 ciclos completos, en circunstancias favorables. Son las baterías idóneas para sistemas FV
- Una batería monoblock son varios vasos en serie, llamados "celdas", en una misma carcasa. Las monoblock más habituales son de 6V (3 celdas) y de 12V (6 celdas). Contienen mucho menos electrólito que los vasos individuales y no son aptas para descargas profundas. Su uso predilecto son las baterías de arranque, por ejemplo en coches y camiones. Suelen tener entre 60Ah y 100Ah de capacidad; como mucho 250Ah o algunas hasta 400Ah. Su vida útil es mucho más corta, unos 200-400 ciclos completos. No obstante, una batería automotriz puede durar 10 años y más, porque se cicla muy poco (solo para arrancar el motor)
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4500Wp en placa; híbrido InfiniSolar_V 4kW(solar) + 5kW(red); control remoto con Rpi; 24 vasos PzS 500Ah C5; consumo 18-23kWh/día
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