¿Qué es una batería VRLA?
Una batería de plomo-ácido regulada por válvula (VRLA) es simplemente una batería de plomo-ácido en la que el electrolito se ha inmovilizado para recombinar el hidrógeno y el oxígeno. Tiene una construcción sellada con válvulas de liberación de presión para evitar que los gases se escapen, es esto lo que le da su nombre.
Como el electrolito ya no está en estado fluido, debido a que se ha mezclado con polvo de sílice para formar un gel o se ha absorbido en una estera de vidrio de textura fina, los gases producidos no son libres de formar burbujas y subir a la superficie del electrolito. En cambio, quedan atrapados en la matriz inmovilizada y se ven obligados a desplazarse hacia los polos opuestos por el gradiente de presión que se produce al cargarse. En un líquido libre, esto sería imposible.
En una batería VRLA, el oxígeno producido en el positivo migra al negativo donde se reduce para reformar el agua.
- Reacción de sobrecarga en la placa positiva: H2O = 2H+ + 2e- + 1/2O2
- Recombinación en la placa positiva: 1/2O2 + Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Las primeras baterías VRLA (de gel de sílice) fueron producidas en la década de 1930 por Elektrotechnische Fabrik Sonnenburg, y luego fueron mejoradas y comercializadas por Sonnenschein a finales de la década de 1950, también de tipo gel.
La batería AGM apareció a principios de los años 70 y fue una idea de Gates Rubber Corporation. Se trata de una construcción en espiral similar a un condensador. Fue en la década de 1980 cuando Chloride y Tungstone introdujeron en el Reino Unido la conocida construcción de placas planas. Las baterías VRLA modernas se dividen generalmente en baterías AGM de placa plana y baterías GEL de placa tubular, cuya construcción de placa tubular tiene la ventaja de una larga vida útil y una mejor resistencia al ciclo profundo. La AGM se beneficia de mayores tasas de descarga y de tiempos de recarga más rápidos. Como las baterías retienen y recombinan el oxígeno y el hidrógeno producidos durante la carga, no necesitan ser rellenadas con agua durante su vida útil garantizada.
A esta ventaja de la falta de mantenimiento se añade la posibilidad de sellar la batería, lo que evita la liberación de hidrógeno combustible. Otras ventajas que se derivan de la inmovilización del electrolito son la ausencia de derrames o fugas de ácido corrosivo, lo que hace más segura su manipulación y transporte. Estos atributos son claras ventajas para las empresas y los consumidores, y hacen que esta tecnología sea mucho más fácil de usar que las baterías de plomo-ácido inundadas. En el funcionamiento comercial puede suponer una reducción de costes al eliminar los equipos de extracción de gas y puede aprovechar mejor el espacio de almacenamiento disponible gracias a su capacidad de funcionar de forma lateral, lo que ofrece opciones de instalación más flexibles.
Con estas ventajas, no es de extrañar que la pregunta de qué es una batería VRLA se responda y se considere el miembro más versátil y fácil de usar de la familia del plomo-ácido. Esto se refleja en las aplicaciones del mercado fuera de la red en las que esta tecnología tiene una cuota de mercado significativa. Hay 25 aplicaciones de este tipo que se analizan en este blog.
Los primeros sectores del mercado que hay que examinar son los vinculados a la industria del ocio, concretamente: marina, camping, carrito de golf y buggies de golf. En todas estas aplicaciones, se requiere que la batería se descargue profundamente. Aunque los requisitos son similares, el tamaño de las cargas y el patrón de funcionamiento pueden ser muy diversos. Un caddy de golf eléctrico típico utilizaría una capacidad de 12 V 18-35 ah para su uso sobre todo en verano, probablemente quincenal. Por el contrario, un buggy de golf que lleve pasajeros en un vehículo comercial grande normalmente requeriría una construcción de 48V con una capacidad total de hasta 200 Ah.
Funcionarían diariamente, generalmente descargando al 80% de su capacidad nominal. En este tipo de operaciones comerciales, los bajos costes de mantenimiento de una batería VRLA serían una ventaja. La duración del ciclo también es un factor importante: cuanto más larga sea, mejor será la ITR. En muchos casos, el uso de celdas de gel tubulares de 2V con su mejor vida de ciclo y descarga profunda, la resistencia al daño tendría mucho sentido económico.
El uso de campings y autocaravanas depende de las baterías para alimentar la iluminación y los pequeños electrodomésticos, como el televisor o el frigorífico. El uso es irregular e intermitente, pero suele ser de ciclo profundo. La falta de mantenimiento, o la producción de gas en la carga y el diseño a prueba de derrames y el manejo seguro hacen que las baterías VRLA sean ideales en estas situaciones. Las baterías son invariablemente un diseño monobloque para sistemas de 12 o 24 V con capacidades que van de 85 a 200 Ah. Estas baterías no suelen ser de uso diario y en muchos casos se dañan por largos periodos de estar almacenadas en estado de descarga o semidescarga, sobre todo en invierno o fuera de temporada.
El epígrafe de aplicaciones marinas abarca desde los usos de una barcaza eléctrica, que utiliza las baterías como fuente primaria de energía, hasta los auxiliares de apoyo, como un dispositivo de navegación e instalaciones como una nevera, un televisor o la iluminación del camarote. Cuando la fuente principal de energía es la propulsión, se requiere una salida larga y constante con picos ocasionales al acelerar o arrancar.
En el caso de los usos auxiliares, las potencias suelen ser menores y más variables a medida que se encienden y apagan los equipos. En este último caso, las baterías se recargan normalmente desde el motor de propulsión mientras está en funcionamiento. También hay un requisito marino relativamente nuevo, el de los motores de arrastre. Se trata de motores eléctricos y unidades de hélice capaces de impulsar silenciosamente los barcos de pesca en el agua sin ahuyentar a los bancos de peces cercanos.
Los requisitos de tamaño, capacidad y tensión para las aplicaciones marinas varían mucho y deben identificarse a partir del patrón de uso y del equipo que se alimenta. Las barcazas eléctricas, por ejemplo, pueden funcionar a 110 V, alimentando un motor eléctrico y todas las instalaciones de vida a bordo. A menudo, esto requiere celdas de gel tubulares de 2 V en una configuración serie-paralelo para proporcionar el voltaje, la alta capacidad y la vida útil del ciclo requeridos para el sistema eléctrico.
En el caso del suministro de equipos auxiliares, lo más habitual es utilizar un diseño monobloque. Se trataría de monobloques de 12V con capacidades que van de 80 a 220 Ah. Sin embargo, los motores de arrastre suelen llevar una batería de 12V 35 ah.
La siguiente categoría a considerar es la de la fuente de alimentación ininterrumpida (SAI). En este caso, la batería tiene que suministrar una ráfaga muy corta de corriente elevada para contrarrestar una caída momentánea de la potencia o la tensión. Se utiliza generalmente en equipos como transmisores de radio u ordenadores para evitar interrupciones en las transmisiones o la pérdida de programas y datos. En esta categoría, podemos incluir: energía de reserva telefónica, torres de telecomunicaciones, pequeñas comunicaciones, terminales de PC, TIC, salas de servidores, centros de datos y redes industriales basadas en transformadores. En estos casos, la necesidad de potencia se satisface con ráfagas intermitentes y rápidas de alta corriente.
Aunque son frecuentes, se trata de descargas poco profundas y, debido a la condición de recarga constante, las baterías nunca se descargan profundamente. Para el uso comercial no industrial, la ausencia de gases y humos ácidos permite utilizar las baterías en entornos de oficina y de alta tecnología donde hay personal y equipos electrónicos sensibles. Los menores costes de mantenimiento, en comparación con las baterías inundadas, son otro atractivo importante.
Las tensiones de funcionamiento pueden variar mucho, desde la alimentación de un PC doméstico hasta una alimentación industrial trifásica de 440 V. Mientras que la mayoría de las instalaciones utilizan monobloques de 12 V en configuraciones serie/paralelo para satisfacer los requisitos de tensión y autonomía de la aplicación, las instalaciones industriales más grandes suelen optar por una opción de gel tubular de 2 V. Las capacidades pueden variar desde 25 Ah para una pequeña oficina o instalaciones domésticas hasta 250 Ah para un SAI industrial. Para las operaciones de energía de reserva hay requisitos diferentes a los del SAI.
Pueden ser descargas profundas intermitentes o periódicas con una recarga completa para cubrir una contingencia como la iluminación de emergencia, el funcionamiento de equipos de prueba portátiles utilizados, por ejemplo, en la vigilancia del medio ambiente o dispositivos de comunicación portátiles como los walkie talkies para uso militar. Las alarmas y los sistemas de seguridad, la energía de reserva para oficinas o teléfonos tendrían perfiles de uso similares, es decir, descargas profundas intermitentes hasta el 80% de su capacidad.
- Las aplicaciones, en las que los equipos se someten a ciclos regulares, incluirían usos como la señalización temporal del tráfico, la iluminación móvil, las áreas domésticas e industriales con cortes de energía programados, las instalaciones híbridas de gasóleo o la energía solar. Todos ellos tendrán horarios definidos de funcionamiento y normalmente serán diarios.
No existe un tamaño o una configuración de batería ideal, ya que hay grandes variaciones de consumo de energía y voltajes de funcionamiento. Para las instalaciones más grandes, las baterías tubulares de gel de 2V suelen ser la mejor solución debido a su capacidad para soportar descargas profundas y a su mayor vida útil. Para las operaciones más pequeñas o menos onerosas, generalmente se prefieren las baterías monobloque, especialmente cuando hay restricciones de espacio. El tamaño de una instalación de baterías dependerá de la tensión de funcionamiento, la carga y el tiempo de funcionamiento del equipo.
No todos los sectores del mercado se pueden clasificar en una sola categoría. Muchas torres de telefonía móvil y otros sistemas de radiocomunicación utilizan baterías de reserva, ya sea como fuente de energía regular o de reserva, dependiendo de la calidad y la disponibilidad de un suministro local (si lo hay). En cualquier caso, lo más probable es que la batería necesite un ciclo profundo. El tipo de batería más común es la monobloque de 12 V por su alta densidad de potencia, sus dimensiones compactas y su facilidad de montaje. En algunas unidades de torre de gran potencia, las células VRLA de 2V montadas en sus laterales son la mejor solución. La falta de mantenimiento y de producción de gas, hace que la batería VRLA sea ideal para lugares remotos, especialmente cuando las baterías se instalan en espacios reducidos.
La otra gran categoría que abarca varios mercados es la de la batería de tracción, que es la principal fuente de energía motriz para un aparato en movimiento. Esto se aplica a muchas categorías de vehículos, desde las carretillas elevadoras hasta las bicicletas eléctricas para uso industrial y privado. En todos los casos, requiere una descarga profunda de la batería. En el caso de las carretillas elevadoras, la ausencia de costes de mantenimiento es una gran ventaja. La desventaja, sin embargo, es que las baterías tardan más en recargarse, son más caras y no pueden descargarse tan profundamente como sus homólogas inundadas. Sin embargo, esto tiene que equilibrarse con los costes de las celdas inundadas, que incluyen el equipo de extracción de humos.
Hay otra ventaja importante debido a la ausencia de humos ácidos y de gas que se liberan al cargar. En un almacén de alimentos cerrado, incluso con un equipo de extracción de aire, algunos humos ácidos de la carga permanecerán dentro de la batería inundada que se escapan durante el funcionamiento de la carretilla elevadora y pueden contaminar los alimentos almacenados. La batería ideal para este mercado, que incluye las transpaletas eléctricas, es la célula tubular de 2V, normalmente en configuraciones de serie de 12 a 80 V. La capacidad puede variar entre 25 Ah para una transpaleta y 1.000 Ah para una carretilla elevadora de gran tonelaje.
El uso no industrial abarca mercados como el de los scooters de movilidad y las sillas de ruedas para condiciones médicas. Existe un pequeño sector que utiliza baterías de plomo-ácido para bicicletas eléctricas, rickshaws y pequeñas aplicaciones de vehículos eléctricos que se consideran de uso no lúdico. Todas estas aplicaciones requieren baterías de diseño compacto con una densidad energética bastante alta. La mayoría de las veces se trata de la gama de baterías monobloque.
Un uso poco común de las baterías VRLA es el del arranque del motor. Sin embargo, muchos vehículos modernos utilizan las versiones AGM precisamente para ese fin. Debido a su electrolito inmovilizado, es menos propenso a fallos por estratificación del electrolito y sulfatación que los diseños inundados. Es especialmente adecuado para los vehículos de parada y arranque, en los que la vida útil de una batería inundada puede ser de tan sólo 6 meses. Debido a que tiene una estera de vidrio altamente comprimida que mantiene el material activo de las placas en su lugar, es muy adecuado para los vehículos todoterreno y fuera de carretera, donde los golpes y las vibraciones pueden dañar fácilmente las placas de las baterías inundadas.
Dado que su coste es mayor que el de una batería inundada, no es un componente estándar en la mayoría de los automóviles producidos en serie. Sin embargo, es una opción natural para el mercado de los vehículos de lujo, donde se considera que su gran potencia de arranque, su mayor duración y su mayor capacidad de arranque en frío merecen el pequeño gasto adicional.
Lossubmarinos dependen totalmente de la energía de las baterías cuando están sumergidos, ya que no hay oxígeno para alimentar un motor de combustión. Los tamaños de los submarinos varían desde pequeñas embarcaciones de recreo e investigación hasta barcos militares subacuáticos de unos 70 metros de longitud y más de 2.000 toneladas de peso. Los submarinos militares han utilizado tradicionalmente diseños tubulares inundados muy grandes, de unos 2.000 Wh por célula, con hasta 175 células conectadas en serie. Por razones obvias, tener baterías que no produzcan gases explosivos a bordo de una embarcación sellada es muy deseable. En el uso militar, las baterías se cargan normalmente con los motores diésel cuando la embarcación está en la superficie y debidamente ventilada.
Sin embargo, si se elimina el trabajo de mantenimiento de la batería en condiciones muy estrechas y difíciles, es una gran ventaja. Dado que se trata de una aplicación de descarga profunda y que una vida útil más larga significa menos tiempo de inactividad para sustituir las baterías, las celdas de gel tubulares de 2V son una opción obvia y casi obligatoria para esta aplicación. En cambio, una pequeña embarcación de investigación y ocio puede utilizar baterías monobloque para ahorrar espacio. Debido a la diversidad de diseños, las tensiones y capacidades de funcionamiento pueden variar enormemente.
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