¿Podemos saber cuándo va a “morir” una batería?
Las baterías de iones de litio de las que dependen hoy día infinidad de dispositivos, desde nuestros teléfonos a los vehículos eléctricos, tienen más de 30 años de madurez y se han convertido en un componente esencial para las tecnologías presentes y futuras.
Conocer su disponibilidad, duración, prestaciones y capacidades es ya vital para los usuarios. Pero es complicado conocer a ciencia cierta estas variables imprescindibles.
Ante esto surge la pregunta: ¿conviene fiarse de la información que algunos dispositivos como los iPhone o cualquier otro teléfono móvil –o un vehículo eléctrico– nos dan sobre del estado de salud de la batería? O dicho de otro modo, ¿estamos seguros de que la batería no nos dejará tirados justo cuando más la necesitamos?
“Vida” y “muerte” en un circuito
Las baterías de ion litio están compuestas por celdas, y cada una de ellas contiene un electrodo positivo y uno negativo. Éstos están inmersos en un electrolito que actúa como conductor para transportar los iones. De esta forma los electrones recorren el circuito externo que da energía a los dispositivos eléctricos y los hace funcionar.
En ese proceso, las baterías se descargan y hay que volver a dotarlas de energía nuevamente. Eso se denomina un ciclo, y, como cualquier otra batería, cuantos más ciclos experimenten, antes “mueren”.
Los estudios miden cuántos ciclos dura la batería en unas determinadas condiciones eléctricas. Desafortunadamente, factores cambiantes como la temperatura de funcionamiento, el ritmo de carga y descarga y el tiempo de uso conducen a una duración diferente, lo que hace realmente difícil establecer las condiciones de salud de las baterías a lo largo del tiempo.
¿Será posible estimar cuándo una batería va a dejar de ser operativa? ¿Se puede saber qué funcionalidad pueden tener una vez que hayan llegado al final de su vida útil?
Gemelos digitales
La industria 4.0 lleva trabajando en las tecnologías de simulación virtual desde mediados de 2010, en los llamados gemelos digitales (digital twin en inglés). Estos son conjuntos de información virtual que describen completamente un producto físico.
En esta área específicamente se ha avanzado mucho en el desarrollo de programas de simulación tanto en el diseño de plantas industriales como en la recreación virtual de sus procesos.
Esos “gemelos” tienen el objetivo de analizar, optimizar y mejorar la productividad de una planta en tiempo real, reduciendo los tiempos de desarrollo y detectando fallos de manera precoz.
Con un software adecuado se puede simular desde plantas industriales hasta dispositivos como baterías. Y así disponer de una realidad digital exacta en la que contrastar la información registrada en el gemelo digital con la implementada en el sistema de gestión de las baterías.
Eso facilita que éstas operen con la máxima eficiencia y aseguren mayor durabilidad, además de explorar sus prestaciones en momentos puntuales, evitar fallos y hasta abordar posibles optimizaciones.
Modelos demasiado simples
El problema es que las baterías son sistemas muy difíciles de modelar fielmente.
Generalmente se usan indicadores que en ocasiones no se pueden medir directamente, como el estado de carga (State of Charge en inglés, SOC), que representa la cantidad de carga que tiene la batería respecto de la máxima posible, y el estado de salud (State of Health en inglés, SOH), un parámetro que valora las prestaciones de una batería comparado con sus condiciones ideales.
Así, los modelos son todavía demasiado simples y sus características dependen de los diferentes tipos de baterías, de su diseño y de su tipo de fabricación.
Por tanto, la precisión de los indicadores descritos anteriormente disminuye y no de forma lineal precisamente, por lo que esto debe considerarse en la operación de los sistemas de almacenamiento de energía.
El proyecto BEST
Desde el Instituto IMDEA Energía y la Universidad de Alcalá de Henares entramos en el terreno de los gemelos digitales para baterías con el proyecto Gemelo Digital de Almacenamiento de Energía de Batería (BEST), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación.
En esta iniciativa proponemos el uso de gemelos digitales de baterías a través de la integración de modelos matemáticos y estimadores de estado de salud, así como del análisis de los datos de funcionamiento mediante técnicas de inteligencia artificial.
De este se obtendrá un mayor conocimiento y control sobre las condiciones reales de los sistemas de las baterías a lo largo de su vida operativa, reduciendo así las diferencias que puedan existir entre la definición del modelo y el sistema real.
Estas diferencias generalmente aparecen bien cuando el paso del tiempo afecta a las características de las baterías, bien cuando no se puede realizar un modelo preciso o bien cuando trabajar con un modelo detallado no es posible o es poco efectivo.
Como estrategia, hemos elegido un gemelo que aglutina diferentes técnicas y permite conseguir este propósito mediante la creación de un modelo dinámico con dos enfoques:
- El primero es la reproducción del estado de salud de las baterías basado en la estimación del estado de los indicadores más relevantes de las celdas (los ya mencionados SOC y SOH).
- El segundo es el desarrollo de modelos de degradación de las baterías, obtenidos mediante una adecuada caracterización de celdas de diferentes químicas y tipo de electroquímica (baterías de ion-litio de potencia y de capacidad, incluso otro tipo de baterías como las de flujo redox).
Esto, integrado con un análisis de los datos de operación mediante técnicas de inteligencia artificial, permitirá disponer de una información mucho más completa y útil sobre las condiciones reales de los sistemas de las baterías.
Con este marco resultaría posible, por ejemplo, calcular cuándo van a llegar al final de su ciclo de vida y determinar el estado de salud en el que se encuentran, ya sea para encontrar un método de reciclaje eficiente o para darles una segunda vida en otra aplicación menos exigente.
Si funciona, habríamos dado nada menos que con el modo de evitar quedarse repentinamente sin batería en el teléfono móvil y, de modo secundario, terminar con la excusa de culpar a la batería por llegar tarde a una reunión o no responder a tiempo un mensaje.
IMDEA Energía en Madrid Es Ciencia 2023
Un año más, IMDEA Energía ha participado activamente en la Feria Madrid Es Ciencia, un gran encuentro de divulgación científica dirigido a las comunidades escolares y al público general.
Varios investigadores e investigadoras del centro han acercado su trabajo al pabellón 5 de IFEMA Madrid a través de diferentes experimentos, talleres y juegos participativos a lo largo de tres días.
De esta forma, el jueves 23 de marzo los investigadores de la Unidad de Procesos Electroquímicos y la Unidad de Materiales Porosos Avanzados han realizado actividades prácticas sobre electrolitos, fabricación de pilas de botón o descontaminación de aguas mediante redes metalorgánicas.
Además, Sergio Pinilla Yanguas, Catalina Biglione y Sergio Carrasco Garrido, investigadores postdoctorales del Instituto, han participado en el espacio #MSCAFellow de la Fundación para el Conocimiento madri+d, y en escenario Ágora.
El viernes 24 fue el turno de la Unidad de Análisis de Sistemas y de Sistemas Eléctricos. Los asistentes pusieron a prueba sus conocimientos sobre energías sostenibles con un quiz y aprendieron en qué consiste un vehículo híbrido o cuál es la diferencia entre recarga rápida y lenta en un modelo eléctrico a través de un juego de mesa por equipos.
Este día contamos asimismo en el stand de los Institutos IMDEA con la visita de Javier Santaolalla, quien presentó la plataforma de divulgación científica Amautas con la participación de varios investigadores de IMDEA Energía implicados en el proyecto.
Por último, el sábado 25, el equipo de la Unidad de Procesos de Alta Temperatura enseñó a los participantes algunas aplicaciones de la generación de calor por medio de luz haciendo funcionar un motor de Stirling o derritiendo chocolate con un concentrador casero. Además con unas gafas 3D se realizaron visitas virtuales de nuestras instalaciones. Por su parte, los investigadores de la Unidad de Procesos Fotoactivados animaron a los más pequeños a apagar velas generando CO2 y a fabricar su propia lámpara de lava con aceite y agua.
¡Muchas gracias a todos por acompañarnos!
Nuevo proyecto BEST-MODA: un ‘gemelo digital’ para mejorar el rendimiento de las baterías
La descarbonización del sistema eléctrico ha sido identificado como uno de los principales objetivos para reducir los efectos del cambio climático. En paralelo, las últimas tendencias en el sector industrial llevan al uso de la digitalización en la concepción, fabricación de prototipos, testeo y diseño de productos, así como en su operación y puesta en marcha, además de la mejora continua de los productos a lo largo de su vida útil. En este sentido, el hecho de que tengamos actualmente una gran cantidad de datos medidos en tiempo real, abre nuevas posibilidades y oportunidades para monitorizar y mejorar la operación de productos a lo largo de su vida útil, y mejora las decisiones a tomar sobre el diseño de los productos. El paradigma principal de esta nueva tendencia es la llamada Tecnología de Gemelos Digitales.
En este contexto, el proyecto BEST tiene como objetivo el desarrollo de un Gemelo Digital de alta fidelidad para sistemas de baterías de diferentes tecnologías, que mejore la gestión, incremente la eficiencia y el rendimiento de dichos sistemas en aplicaciones finales. El proyecto BEST consta de 2 subproyectos: BEST–MODA, orientado a modelos y datos experimentales para dar respuesta a los retos específicos de la transición ecológica, y el proyecto BEST-ARIN, sobre inteligencia artificial, que se dirige principalmente a los retos de la transición digital.
La Unidad de Procesos Electroquímicos y la Unidad de Sistemas Eléctricos de IMDEA Energía participan en su desarrollo junto al departamento de Procesamiento de Señales y Comunicaciones de la Universidad de Alcalá.
El proyecto de investigación correspondiente a la convocatoria del año 2021, de referencia: TED2021-131777B-C21, Programa Estatal para Impulsar la Investigación Científico-Técnica y su Transferencia (Proyectos Estratégicos Orientados a la Transición Ecológica y a la Transición Digital). financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación – Unión Europea NextGenerationEU – PRTR con un periodo de realización que finaliza el próximo mes de noviembre de 2024.
El proyecto de investigación de la UE NanoBat concluye con éxito y resultados innovadores
Tras tres intensos años de investigación pionera, el proyecto de investigación de la UE NanoBat concluye con soluciones revolucionarias para la producción de baterías en Europa y fuera de ella. El consorcio, formado por 13 socios académicos e industriales, ha desarrollado conjuntamente un novedoso conjunto de herramientas nanotecnológicas para la comprobación de la calidad de las baterías de litio, con especial atención a la estructura a nanoescala de la capa SEI (solid electrolyte interphase), una capa aislada eléctricamente que impide la descomposición del electrolito y es responsable del rendimiento y la seguridad de las baterías.
«Con las nuevas tecnologías NanoBat, los fabricantes y las PYME europeas estarán en condiciones de crear una cadena de valor competitiva para la fabricación de pilas sostenibles en Europa», afirma el Dr. Ferry Kienberger, coordinador del proyecto y socio industrial austriaco de Keysight Technologies.
Los resultados influirán en varios proyectos futuros: Con el desarrollo del hardware EIS (espectroscopia de impedancia electroquímica), ahora patentado por Keysight, se podrán comercializar nuevos productos. Lo mismo puede decirse del modelado de software QWED para su integración en QuickWave y el recién creado escáner QWED GHz. Otros avances proporcionan la base para futuros desarrollos. Esto incluye la estación de medida de alto rendimiento desarrollada conjuntamente por Keysight y Kreisel, la prueba de ciclo electroquímico rápido implementada en IMDEA, la nueva analítica de datos de puerta de calidad virtual preparada en la Technische Universität Braunschweig, y las nuevas técnicas de sonda de barrido diseñadas por la Ruhr-Universität Bochum y la Universidad de Burgos. Por último, pero no por ello menos importante, Pleione Energy ha establecido una línea piloto de baterías para pilas de bolsa y supercondensadores a disposición de la comunidad de baterías en general.
Con el tiempo, los métodos de producción ecológica podrán ampliarse mediante la participación de agentes mundiales de la industria automovilística y extenderse a otros mercados, como las baterías especiales para satélites, los edificios ecológicos, los materiales GHz o el software de modelización.
Los resultados también fomentarán la competitividad industrial y la capacidad de innovación de la UE y tendrán un impacto positivo en la economía circular y la huella medioambiental de la producción de baterías, ya que unos métodos de ensayo más precisos se traducen en una disminución del uso de energía y materias primas y de los residuos.
Más información sobre los resultados del proyecto NanoBat en la página web (insertar url), incluidos vídeos cortos que detallan cada una de las innovaciones.
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Datos clave del proyecto
Título: NanoBat – Mediciones eléctricas y dieléctricas a nanoescala de GHz de la interfase sólido-electrolito y aplicaciones en la línea de fabricación de baterías
Inicio: 1 de abril de 2020
Fin: 31 de marzo de 2023
Presupuesto: 4,966,912.50 €
Coordinador: Keysight Technologies GmbH, Austria
Página web: www.nanobat.eu
Socios del proyecto
- Instituto Austriaco de Tecnología GmbH, Austria
- Centro Ricerche Fiat, Italia
- EURICE – Oficina Europea de Investigación y Proyectos GmbH, Alemania
- Instituto Federal de Metrología METAS, Suiza
- Instituto IMDEA Energía, España
- Universidad Johannes Kepler de Linz, Austria
- Keysight Technologies GmbH, Austria
- Kreisel Electric GmbH & Co KG, Austria
- Pleione Energy S. A., Grecia
- QWED, Polonia
- Ruhr-Universität Bochum, Alemania
- Technische Universität Braunschweig, Alemania
- Universidad de Burgos, España
IMDEA Energía presenta el proyecto PROMETEO a estudiantes de Máster de la Universidad Politécnica de Madrid
IMDEA Energía participa en el proyecto europeo Horizonte 2020 PROMETEO «Producción de hidrógeno mediante calor y energía solar en electrolizadores de óxido sólido de alta temperatura» bajo el acuerdo de subvención 101007194. Manuel Romero como coordinador de la asignatura de Tecnologías Termosolares de Concentración tuvo la oportunidad de presentar PROMETEO a 27 alumnos del Máster en Energías Renovables y Medio Ambiente (ERMA) de la Universidad Politécnica de Madrid el 13 de marzo de 2023.
Llegará un momento en que sobre energía renovable: ¿qué haremos con el exceso?
Durante la última década se ha intensificado el proceso de descarbonización del sistema energético. El cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de CO₂, por un lado, y el desarrollo de las tecnologías limpias, renovables y más económicas, por otro, han creado las condiciones necesarias para sustituir las fuentes tradicionales de combustión por energías eólicas y fotovoltaicas.
El papel de las redes eléctricas es fundamental en este proceso, dado que estas ofrecen el transporte de energía hacia su punto de consumo con las mínimas pérdidas. Además, en el futuro la energía eléctrica se va a utilizar mucho más en el sector del transporte, lo que aumentará la demanda eléctrica significativamente.
Este escenario, junto con la retirada de generación tradicional por la descarbonización, requiere un aumento sustancial de la producción mediante recursos energéticos más sostenibles y limpios.
¿Cómo operan las redes eléctricas?
Desde su nacimiento, la mayoría de la producción de las redes eléctricas se ha basado en plantas que convierten la energía térmica (tanto de carbón o gas como nuclear) o mecánica (hidráulica) en electricidad, facilitando así el transporte de energías a largas distancias con pocas pérdidas.
Para la conversión se utilizan grandes generadores eléctricos conectados a turbinas, cuya inercia dota de robustez y estabilidad al sistema eléctrico: previene que haya un apagón cuando se produce alguna perturbación grave, como puede ser la desconexión de un generador o de una zona provocada por causas humanas o naturales.
Con el objetivo de avanzar hacia un sistema energético descarbonizado, este tipo de generadores se sustituyen por fuentes renovables.
En este punto es necesario tener en cuenta que la generación basada en fuentes renovables es de potencias inferiores y de características más distribuidas. En lugar de máquinas eléctricas se utilizan los convertidores de electrónica de potencia que no proporcionan ninguna propiedad inercial. Además, la energía producida es variable en el tiempo y no se puede despachar, necesitando por tanto unos generadores tradicionales de apoyo para conseguir así asegurar el suministro.
Hacia un exceso de producción renovable
Todos estos factores han provocado diferentes retos técnico-económicos en el campo de la integración de las energías renovables en las redes eléctricas y en los mercados de energía.
Con los planes ambiciosos de todos los gobiernos sobre la descarbonizacion del sistema energético, cada vez habrá más fuentes renovables conectadas a las redes eléctricas.
Llegará un momento, previsiblemente a partir de 2030, en el que habrá un exceso importante de la capacidad renovable instalada en España. Se prevé que durante el día llegue incluso a superar a la demanda.
Entonces, habrá horas de exceso de energía renovable en las que el sistema no permitirá a todos los productores generar a toda su capacidad debido a la configuración del mercado de la energía, que define la mezcla de producción.
¿Qué hacemos con la energía sobrante?
En esos periodos con posibles excesos de producción, ¿qué hacemos con esa energía? ¿La desperdiciamos? ¿La utilizamos como reserva? ¿Cómo se puede compensar a los productores que hayan ajustado su generación o tengan que detenerla?
Una de las soluciones más obvias es el almacenamiento; sin embargo, tiene límites tanto técnicos como económicos. Aunque existen diferentes tecnologías de almacenamiento de energía aplicadas en redes eléctricas, en general hay muy poca capacidad de almacenamiento comparada con la capacidad de producción necesaria.
Como explica Red Eléctrica, “la energía eléctrica puede ser generada, transportada y transformada con facilidad, sin embargo, resulta complicado almacenarla en grandes cantidades”. Por eso, en las redes eléctricas siempre se hace balance energético instantáneo entre la producción y la demanda.
Otra opción es incrementar el uso de los métodos de gestión de demanda y del concepto de que la demanda sigue a la producción (el concepto contrario a lo que tenemos hoy en día). La demanda puede ser flexible, sin embargo, solo dentro de cierto rango, así que no siempre puede ofrecer la solución.
Por todo lo anteriormente expuesto, está claro que se va a incrementar el valor de los servicios auxiliares en la red, sobre todo los que tienen que ver con la robustez del sistema eléctrico como la inercia y las reservas de energía.
Si se habilita a los productores para ofrecer estos servicios, podrían ingresar dinero no solo por términos de energía producida, sino también por los servicios prestados a la red. Esto significa que no todas las plantas renovables tendrán que producir la máxima energía todo el tiempo, será suficiente con que estén conectadas a la red y disponibles para subir o bajar la energía entregada cuando se detecten perturbaciones en el sistema.
Para participar en estos mercados nuevos de servicios auxiliares, el sistema de control de los convertidores de electrónica de potencia tiene que adaptarse a los nuevos requisitos.
¿Cómo integrar las renovables de manera inteligente?
Los investigadores de la Unidad de Sistemas Eléctricos de IMDEA Energía trabajamos en el desarrollo de nuevos algoritmos de control para convertidores de potencia que sirvan como interfaces para fuentes renovables y para baterías.
En particular, investigamos un tipo de control llamado grid-forming (formador de red), capaz de emular la inercia (proporcionar inercia sintética) apoyando a la vez el control de la tensión y de la frecuencia en redes eléctricas. Estas características permiten convertir las fuentes renovables no solo en productores de energía, sino también en los proveedores de servicios de red, aprovechando el exceso de la capacidad para fortalecer las redes eléctricas.
Nuestros resultados preliminares son alentadores y demuestran que en un futuro será posible conseguir los niveles más altos de fiabilidad en las redes eléctricas a través de las mejoras aplicadas al sistema de control de convertidores. No obstante, también son necesarios ciertos cambios en el marco regulatorio, como aquellos relacionados con las reglas de conexión a las redes eléctricas y con el funcionamiento de los mercados de energía y los mercados de servicios auxiliares.
Queda mucho por investigar para encaminar la transición energética hacia tecnologías limpias y renovables. En este camino, el principal objetivo sigue siendo garantizar la continuidad y la calidad de suministro para todas las demandas eléctricas, que son siempre cambiantes y cada vez más exigentes.
Más información: https://theconversation.com/llegara-un-momento-en-que-sobre-energia-renovable-que-haremos-con-el-exceso-201316
IMDEA Energía participa en la Bienal Ciudad y Ciencia 2023
IMDEA Energía ha participado en la Bienal Ciudad y Ciencia celebrada en el Círculo de Bellas Artes de Madrid del 22 al 25 de febrero.
Investigadores e investigadoras de las unidades de Procesos Biotecnológicos y de Procesos Termoquímicos han acercado su trabajo en materia de energías sostenibles a pequeños y mayores mediante diferentes talleres y juegos participativos.
De esta forma, los asistentes han podido aprender más sobre la técnica de cromatografía realizando sus propios dibujos o acerca del trabajo de descontaminación de aguas empleando colorantes alimenticios y materiales absorbentes.
Además, se les ha mostrado mediante un microscopio varias muestras de microalgas y han realizado pequeños procesos de fermentación mezclando levadura de panadería, agua y azúcar para inflar un globo.
Por último, pudieron realizar un sencillo juego de reciclaje en el que debían repasar sus conocimientos y ‘encestar’ las diferentes fichas con productos y restos diversos en el cubo correspondiente y compitieron en un Kahoot para poner a prueba sus conocimientos sobre energías sostenibles.
Éxito de las actividades de IMDEA Energía en la Feria Genera y Spirec 2023
El Instituto IMDEA Energía celebró tres sesiones industriales en el marco de la Feria Internacional de Energía y Medioambiente GENERA 2023 el día 21 de febrero que contaron con destacados ponentes del entorno empresarial, académico y de asociaciones que, junto con los de IMDEA Energía, completan las cadenas de valor:
- El Hub Madrid+Circular germen de tecnologías para valorizar residuos en productos, que aborda un ambicioso programa de investigación para crear y desarrollar un Hub de Economía Circular, favoreciendo la cultura de la cooperación entre distintos agentes del sistema ciencia-tecnología-empresa para generar y compartir conocimiento sobre nuevas tecnologías que faciliten la revalorización de residuos mediante su incorporación en procesos industriales para la producción de materiales y combustibles de baja huella de carbono, alguno de los cuales requieren la incorporación de hidrógeno renovable. Contó con la participación de Repsol, Ariema y EvoEnzime.
- Combustibles sostenibles a partir de residuos de digestión y fermentación integrando procesos termoquímicos, catalíticos y biotecnológicos, en la que se debatió sobre la integración de diferentes procesos innovadores para la valorización de los residuos generados en la digestión anaeróbica de diferentes materias biodegradables (digestatos) y la producción de bioetanol avanzado por fermentación alcohólica de biomasa no alimenticia (vinazas) para su transformación en diferentes tipos de combustibles sostenibles (bio-metano, bio-aceites, bio-hidrógeno y bio-carbones) y otros productos de interés (ácidos grasos) reduciendo el volumen de residuos de la producción de biogás y de bioetanol. Contó con la participación de la Universidad Rey Juan Carlos, Repsol e Ingelia.
- Presente y futuro de la descarbonización con concentración solar térmica en España, debatiendo sobre el papel a desempeñar por la energía solar térmica de concentración en los objetivos de descarbonización en los distintos sectores industriales. Contó con la participación de Protermosolar, Engie y la Plataforma Solar de Almería, CIEMAT.
Los asistentes superaron el centenar, llenando la sala, teniendo que permanecer algunos de pie. Las cuestiones planteadas por los asistentes y los debates suscitados dejan claro que las tecnologías tratadas son un tema candente de interés para especialistas y público en general y materia para proseguir con la investigación y el desarrollo.
La Conferencia Internacional de Energías Renovables, SPIREC, se ha celebrado este año en España en el marco de Genera, contando con la visita técnica a IMDEA Energía el día 23 de febrero en la que se mostraron el campo solar de heliostatos, la Planta piloto de pirólisis e hidrodesoxigenación y el laboratorio SEIL de emulación de redes. La visita fue un éxito considerando el interés suscitado por las instalaciones y líneas de investigación de IMDEA Energía, así como, las palabras y los mensajes de los asistentes.
