Fundamentos: Eficiencia de carga de una batería de plomo-ácido

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Homo_non_sapiens
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#1 Fundamentos: Eficiencia de carga de una batería de plomo-ácido

Mensaje por Homo_non_sapiens » 01 Sep 2020, 09:20

Para entender mejor este capítulo, se recomienda leer antes el capítulo "Las fases de carga de una batería" (https://adnsolar.eu/viewtopic.php?f=14&t=87)

Sabemos que para una carga completa, una batería de plomo-ácido necesita una ligera sobrecarga, que principalmente ocurre en las fases de absorción y flotación - y claro, muy pronunciado en ecualización. "Sobrecarga" significa, que entran Ah en la batería que se "pierden", es decir, no se acumulan
Cuando el electrólito gasea (burbujea), es decir, cuando el agua H2O se descompone (se disocia) en los gases H2 y O2, la energía de la corriente eléctrica necesaria para la disociación del agua no es utilizada para cargar la batería. Es principalmente por esto, que la intensidad "metida" en la batería es superior a la intensidad "extraida" - porque parte de la energía "se pierde" en la disociación del agua y no se acumula en la batería
Ejemplo: Si se carga una batería con 10Ah y se pierde 1Ah en la disociación del agua, solo se podrán descargar 9Ah - la eficiencia de carga sería de 90%

Nota: La eficiencia de carga calculada con los Ah que entran y salen se llama "eficiencia culómbica" y en una batería buena suele ser en torno a 95%
Si se calcula la eficiencia de carga con los kWh que entran y salen, se obtiene la "eficiencia energética", que será inferior a la culómbica. Es que los kWh se obtienen multiplicando los Ah por la tensión de la batería, que es más alta al cargar (~53V, como media) que al descargar (~49V, como media)
Si la eficiencia culómbica es de 95%, la energética será aproximadamente de 95% * 49V/53V = 87.8%

Veamos lo dicho con un poco más de detalle durante el proceso de carga de una batería de plomo-ácido

Nota: En lo siguiente, siempre cuando no digo lo contrario, con "eficiencia de carga" me refiero a la eficiencia de carga culómbica, que es con respecto a los Ah acumulados. Hay que diferenciarla de la eficiencia de carga energética (kWh acumulados), que es inferior a la eficiencia culómbica

(1) En la fase bulk, casi toda la energía que entra en la batería es utilizada para la reacción 2PbSO4 + 2H20 <---> Pb + PbO2 + 2H2SO4. Esta reacción es reversible, la flecha hacia la derecha es la carga y hacia la izquierda, la descarga. En teoría, la eficiencia de carga en la fase bulk es 100%
Supongamos que en la vida real, el 98% de los Ah cargados en la fase bulk sea útil y esté disponible para la descarga[/i]
En la fase bulk prácticamente todos los amperios que entran en la batería son acumulados, gracias a la reacción electroquímica (2PbSO4 + 2H20 <---> Pb + PbO2 + 2H2SO4). Si digo que la eficiencia es de 98%, en vez de 100%, es porque en la vida real siempre hay pequeñas imperfecciones, por ejemplo ionos de otros metales en el electrólito

(2) En absorción el electrólito burbujea, al principio poco y al final más, o sea, se desperdician algunos Ah. Como media, podemos suponer que el 80% de los Ah que entran serán carga real, el resto es empleado en disociar H2O y no estará disponible en la descarga
La absorción es una fase de sobrecarga, es decir, se meten más amperios a la batería de los que puede aprovechar. La razón de hacer la absorción es doble: (1) Llegar a un SoC (estado de carga) muy cerca del 100% (2) Hacer que el electrólito burbujee, para evitar la estratificación
Pongo un ejemplo numérico, para que se entienda mejor: En mi batería, de 600Ah, entran unos 30-40A, al principio de la absorción y unos 10A, al final de la misma. Al principio burbujea poco y al final mucho. Eso se debe a que la reacción electroquímica (2PbSO4 + 2H20 <---> Pb + PbO2 + 2H2SO4) puede realizarse cada vez menos, y una buena parte de la energía metida en la batería "rompe" moléculas de agua (disociación: 2H2O --> 2H2 + O2), lo que da lugar al burbujeo, que es necesario, pero no sirve para acumular Ah. Por eso digo que la media de la eficiencia de carga de la absorción es de solo 80%

(3) En flotación principalmente se compensa la autodescarga de la batería. Pongamos que solo el 60% de los Ah que entran en flotación sea carga útil y el 40% sea compensación de la autodescarga y otras pérdidas, y no estará disponible para descargar
Toda batería tiene un poco de autodescarga (amperios que se "escapan" con el tiempo), que se compensa en la flotación. En flotación, la batería ya esta cargada a tope, casi no puede cargarse más. Por eso entran muy pocos amperios (en torno a 1-2A), que en gran parte sirven para sustituir los Ah que la batería pierde por autodescarga. Por eso le doy una eficiencia de carga de solo 60% a la flotación

(4) Como último tenemos que decidir, cuanto aporta cada fase de carga para la carga total de la batería. Eso depende de la profundidad de descarga precedente a la carga.
a) Si la descarga ha sido profunda, por ejemplo hasta el SoC 20%, la saturación en la fase bulk será de ~90%, en la absorción ~9% y el ~1% restante en la flotación
b) Si la descarga precedente ha sido menos profunda, p.e. hasta el Soc 70%, más bien tendremos una saturación de 96% en bulk, +3% en absorción y +1% en flotación
"Saturación 100%" significa que la batería está cargada a tope y ya no puede realizar la reacción electroquímica. Saturación es prácticamente lo mismo que el SoC
Cuando la batería ha sido descargada mucho, por ejemplo hasta el SoC=20% en un ciclo profundo, la absorción (el burbujeo) empieza al SoC 85%, aproximadamente. Pero si el ciclo ha sido menos profundo, p.e. con descarga hasta el SoC 70%, la absorción (el burbujeo) empieza más tarde, aproximadamente al llegar al SoC 93%

Ahora veamos como será el proceso de carga en dos ejemplos, (1) tras una descarga profunda y (2) tras una descarga menos profunda
Hacemos los cálculos para la eficiencia culómbica, midiendo los Ah cargados y descargados

Ejemplo 1: Ciclo profundo. Descarga hasta el SoC 20%; a continuación la carga en tres fases hasta el SoC 100%
En este caso, la batería estará en fase bulk hasta llegar al SoC 90%; después en absorción hasta el SoC 99% y como último, en flotación hasta el SoC 100%
Fase bulk: Eficiencia de carga 98%, duración desde el SoC 20% hasta el SoC 90%. En esta fase, la batería recibirá el 70/80 de su carga, con eficiencia 98%
Absorción: Eficiencia de carga 80%, duración desde el SoC 90% hasta el SoC 99%. En esta fase, la batería recibirá el 9/80 de su carga, con eficiencia 80%
Flotación: Eficiencia de carga 60%, duración desde el SoC 99% hasta el SoC 100%. En esta fase, la batería recibirá el 1/80 de su carga, con eficienca 60%
Para la eficiencia de carga culómbica (Ah acumulados) obtenemos: (98% * 70/80) + (80% * 9/80) + (60% * 1/80) = 85.75% + 9.0% + 0.75% = 95.5%

Ejemplo 2: Ciclo menos profundo. Descarga hasta el SoC 70%; a continuación carga en tres fases hasta el SoC 100%
En este caso, la batería estará en fase bulk hasta llegar al SoC 96%; después en absorción hasta el SoC 99% y como último, en flotación hasta el SoC 100%
Fase bulk: Eficiencia de carga 98%, duración desde el SoC 70% hasta el SoC 96%. En esta fase, la batería recibirá el 26/30 de su carga, con eficiencia 98%
Absorción: Eficiencia de carga 80%, duración desde el SoC 96% hasta el SoC 99%. En esta fase, la batería recibirá el 3/30 de su carga, con eficiencia 80%
Flotación: Eficiencia de carga 60%, duración desde el SoC 99% hasta el SoC 100%. En esta fase, la batería recibirá el 1/30 de su carga, con eficienca 60%
Eficiencia de carga culómbica: (98% * 26/30) + (80% * 3/30) + (60% * 1/30) = 84.9% + 8.0% + 2.0% = 94.9%

Ojo! Todo lo dicho sigue siendo una aproximación! En realidad, la eficiencia culómbica no es constante en bulk y menos en absorción, porque depende de la saturación! Cuando el SoC sobrepasa aproximadamente 90%, la eficiencia empieza a disminuir. Al SoC 90% será ~98%, al SoC 95% será quizá 85% y al SoC 99% posiblemente sea de solo 60%. Esa es la razón, por la que la eficiencia de carga se reduce notablemente durante la absorción y más, en la flotación
Además hay que tener en cuenta, que la capacidad de una batería depende de la intensidad de descarga. Por ejemplo, mi batería tiene una capacidad de 500Ah C5, es decir, cuando se descarga con 100A. Segun el fabricante, la capacidad es 581Ah C10, 663Ah C20 y 763Ah C100. Eso significa que con una intensidad de descarga de 58A (C10), la capacidad es 580Ah, con I=33A (C20) es 663Ah y con I=7.63A (C100) es 763Ah. Es decir, que cuando más alta sea la intensidad de descarga, el SoC disminuye más por cada Ah descargado
En un programa BMS (Battery Management System), que mide los parámetros de la batería cada segundo o cada minuto, esto es fácil de implementar, pero para una aproximación básica nos sirve lo dicho anteriormente

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Nos falta decir lo que pasará en la ecualización. Para la ecualización hay que distinguir dos casos:

(1) Ecualización estando la batería sulfatada - que es cuando hay que ecualizar
"Sulfatación" significa que parte de las placas de plomo de la batería están cubiertas con cristales de sulfato de plomo (PbSO4) tan grandes, que ya no se disocian en la fase de absorción. En consecuencia hay menos plomo activo en las placas y menos ácido sulfúrico en el electrólito (densidad baja) --> la batería ha perdido capacidad!
La ecualización no es más que una carga forzada a una tensión muy alta, en torno a 2.60V por vaso/celda (~62V para batería de 48V). A esta tensión alta se "rompen" (se disocian) los cristales de sulfato (si no son ya demasiado grandes) y la batería recupera su capacidad nominal. También la densidad va subiendo hasta su valor nominal
En este caso, una parte (pequeña) de los amperios que entran en la batería, rompen los cristales de sulfato y sí sirven para acumular Ah. Pero la mayor parte de los amperios que entran no hacen nada más que disociar agua (2H2O --> 2H2 + O2) y "se pierden"

(2) Ecualización estando la batería en buen SoH (estado de salud) - Ojo: Con la batería en buen SoH no hace falta ecualizar !
En este caso la ecualización no sirve para nada más que para hacer burbujear el electrólito, disociando moléculas de agua. Eso puede ser útil para remover el electrólito, eliminando la estratificación, pero no acumula ni un solo Ah. En este caso, la eficiencia de carga de la ecualización es cero
Es fácil de entender: La ecualización se hace, cuando la batería está cargada a tope. Es decir, empieza con el SoC 100% y también acaba con el SoC 100%. Eso significa, que la batería no se ha cargada nada, por muchos Ah que hayan entrado durante la ecualización
Esa es la razón por la que no se recomienda hacer ecualizaciones, si la batería no está sulfatada
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