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¿Se utilizan baterías de Ni-Cd en proyectos solares? [Pros y contras + alternativas]

La historia de las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) se remonta a hace más de 100 años, cuando un inventor sueco desarrolló una batería recargable utilizando electrodos de níquel y cadmio.

Como desarrollador de proyectos o contratista, es posible que sepa que la tecnología de baterías de iones de litio se adopta ampliamente. Pero, ¿se utilizan hoy en día baterías de Ni-Cd en proyectos solares?

Explicaremos los pros y los contras de este tipo de batería solar. Entonces tendrá una mejor idea de por qué son y no son una buena opción como solución de batería.

¿Se utilizan baterías de Ni-Cd en proyectos solares?

¿Qué son las baterías solares de Ni-Cd? ¿Cómo trabajan?

Las baterías de Ni-Cd utilizan hidróxido de óxido de níquel como cátodo y cadmio metálico como ánodo. El electrolito contiene hidróxido de potasio (KOH), con una concentración que oscila entre 20% a% 35 por peso.

Cuando se carga, el hidróxido de níquel (NiOOH) en el cátodo de la batería se convierte nuevamente en hidróxido de níquel (Ni(OH)₂) mientras libera electrones. Mientras tanto, el cadmio (Cd) en el ánodo se oxida en hidróxido de cadmio (Cd(OH)₂) al absorber los electrones que han viajado a través del circuito externo desde el cátodo.

Durante la descarga, la corriente eléctrica fluye en dirección inversa. 

El hidróxido de níquel (Ni(OH)₂) en el cátodo se reduce a hidróxido de óxido de níquel (NiOOH), absorbiendo electrones. En el ánodo, el hidróxido de cadmio (Cd(OH)₂) libera electrones y se convierte nuevamente en cadmio metálico (Cd).

El electrolito KOH no desempeña ningún papel ni en las reacciones de carga ni en las de descarga. 

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las baterías de Ni-Cd?

Desde el inicio de las baterías de Ni-Cd, se han introducido en el mercado varias tecnologías de baterías nuevas, lo que a su vez pone de relieve las ventajas y desventajas de las baterías de Ni-Cd en las aplicaciones actuales.

Desventajas

La razón para anteponer los inconvenientes a los pros en nuestra explicación es la creciente preocupación por el respeto al medio ambiente de la tecnología de almacenamiento en baterías.

Riesgos ambientales

Al igual que la batería de plomo-ácido que se inventó en un período similar, las baterías de Ni-Cd también contienen elementos tóxicos. El níquel y el cadmio están asociados con diversos problemas medioambientales. Aunque la tecnología de fabricación actual ha minimizado enormemente el riesgo de fugas, si no se eliminan adecuadamente, estos elementos aún pueden generar contaminación y toxicidad para la biota marina y estuarina.

Amenaza ambiental por el cadmio en las baterías de Ni-Cd

Efecto de memoria

El "efecto memoria" en las baterías de Ni-Cd se refiere al fenómeno de que tienden a retener un recuerdo de niveles de recarga anteriores cuando no esté completamente descargado antes de recargarlo.

Lo enumeramos como uno de los principales inconvenientes porque plantea importantes desafíos para los procesos de carga y descarga. Este efecto puede restringir directamente su aplicabilidad en proyectos de almacenamiento solar debido al riesgo de disminución de la capacidad.

Baja densidad de energía

Debido a su composición química y posibles fallas del material, las baterías de Ni-Cd no proporcionan una alta densidad de energía como otras baterías modernas. 

La densidad de energía normalmente cae dentro del rango de alrededor de 40-60 Wh/kg. Este punto débil limita la capacidad general de la batería para un peso o volumen determinado, lo que las convierte en una opción menos eficiente que las alternativas para fines de almacenamiento de energía.

Menor ciclo de vida y mayor tasa de autodescarga

Las baterías de Ni-Cd tienen un ciclo de vida de 1,000 a 2,000 de media. Es más alto que el de las baterías de plomo-ácido, pero no es capaz de competir con otras alternativas avanzadas. 

Además, muchas baterías recargables pueden autodescargarse con el tiempo, pero las baterías de Ni-Cd tienen una tasa de autodescarga más alta, de alrededor del 10% al 20% por mes a temperatura ambiente. Esto significa que pueden perder una gran parte de su carga gradualmente si permanecen inactivos. Sin embargo, dado que se requiere que las baterías funcionen junto con los paneles solares a diario, esto podría no ser una preocupación importante para los proyectos solares.

Potencialmente más caro

At SolarBuy.com, opinamos que no es justo comparar costos basándose únicamente en los gastos iniciales del equipo.

Si bien las baterías de Ni-Cd pueden ser más baratas al principio, su vida útil comparativamente más corta, su menor densidad de energía y su efecto memoria producirán costos ocultos. Estos costos no son inmediatamente aparentes ni fácilmente cuantificables, pero seguramente afectarán el costo general de un proyecto.

Para Agencias y Operadores

Estas baterías recargables todavía poseen varias ventajas que merecen nuestra consideración.

Escabroso

La robustez de las baterías de Ni-Cd se debe a su sólida construcción que las hace altamente resistentes a golpes físicos y vibraciones.

Esta característica permite que estas baterías sigan funcionando en tarea pesada Aplicaciones industriales donde las baterías pueden estar sujetas a un manejo brusco y inadecuado.

Alta tasa de descarga

La baja resistencia interna, la composición química y los electrodos robustos de las baterías de Ni-Cd les permiten entregar energía eléctrica a un ritmo rápido. Esta característica hace que estas baterías sean adecuadas para aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de energía o una alta potencia de salida durante un corto período de tiempo.

Pero los proyectos solares normalmente no requieren baterías con tasas de descarga excepcionalmente altas. Más bien, a menudo dan prioridad a otros factores, incluida la densidad de energía y el ciclo de vida.

Buen rendimiento en temperaturas extremas

Los proyectos solares están ubicados en sitios donde los recursos de irradiación solar son abundantes. Algunos de estos lugares pueden tener climas cálidos.

Debido a su construcción robusta y estabilidad química, las baterías solares de Ni-Cd son conocidas por su resistencia a temperaturas extremas. Estas baterías mantienen un perfil de descarga relativamente estable y pueden ofrecer una potencia de salida constante. 

Las investigaciones indican que las baterías de Ni-Cd pueden soportar temperaturas de hasta 70°C. 

En temperaturas frías, estas baterías también pueden presentar un rendimiento satisfactorio. Si bien pueden sufrir problemas razonables de capacidad y eficiencia en condiciones de frío, estas baterías son menos susceptibles a sufrir daños en comparación con otros productos químicos para baterías.

Alternativas a las baterías de Ni-Cd en proyectos solares

Más allá de las baterías de Ni-Cd, plomo-ácido, iones de litio y de flujo hay opciones disponibles para los módulos de almacenamiento de energía en proyectos solares.

Como los diferentes proyectos tienen configuraciones y condiciones de instalación particulares, el proceso de decisión es una comparación de los pros y los contras de cada tecnología.

Módulo de almacenamiento de energía en batería para proyectos solares a gran escala
"Canadian Solar" (recorte) de blmcalifornia está marcado con Public Domain Mark 1.0.

Las baterías de plomo-ácido son opciones rentables para diversos tipos de proyectos solares, especialmente aquellos con un presupuesto inicial ajustado y aquellos ubicados en una región donde no se puede garantizar el suministro de otras tecnologías de baterías más nuevas.

Las baterías de iones de litio lideran actualmente el mercado mundial en términos de participación de mercado y representan aproximadamente entre el 60% y el 65% del mercado total de almacenamiento de energía. A pesar de que el costo de su producto es más alto que el de las baterías de Ni-Cd, las baterías de iones de litio superan al Ni-Cd en algunos criterios críticos para proyectos solares, incluida la densidad de energía, la eficiencia de carga, el Departamento de Defensa y el ciclo de vida.

Cabe señalar que las baterías de iones de litio han experimentado una drástica caída de costos de aproximadamente 97 por ciento desde su introducción. Con las continuas innovaciones en la ciencia de los materiales unidas a las economías de escala, es previsible una caída continua de los precios.

Entre los diferentes tipos de tecnología de iones de litio, las baterías de fosfato de hierro y litio (LiFePO4) ocupan una proporción cada vez mayor. Este tipo de batería es reconocida por su estabilidad térmica y química superior, exhibiendo una mejor tolerancia a temperaturas elevadas y al mismo tiempo ofreciendo un ciclo de vida mucho más largo y una mayor densidad de energía que las baterías de Ni-Cd. En los últimos años, la industria ha sido testigo de una adopción cada vez mayor de estas baterías a la luz de su reputación de ofrecer un rendimiento estable y confiable a largo plazo.

Por último, las baterías de flujo, las más jóvenes de todas las baterías que analizamos aquí, son famosas por su vida útil significativamente más larga, incluso en comparación con las baterías de iones de litio. Esto los hace ideales para proyectos solares dirigidos a aplicaciones fluidas a largo plazo. Sin embargo, las baterías de flujo son la tecnología de baterías más cara hasta el momento.

Ni-MH: otra batería solar a base de níquel

Las baterías de Ni-MH se inventaron en parte como respuesta a la apremiante necesidad de abordar el impacto ambiental asociado con las baterías de Ni-Cd.

Estas baterías están compuestas de níquel, cobalto y algunos elementos de tierras raras. Son más respetuosos con el medio ambiente debido a la ausencia de cadmio tóxico. Además, con un proceso de reciclaje menos complejo y una densidad de energía y eficiencia de carga mejoradas, se consideran una mejor opción que su contraparte a base de níquel.

Conclusión

Podemos concluir que es muy poco común utilizar baterías de Ni-Cd en proyectos solares. Existen algunas alternativas mejores que se adaptan a las necesidades inherentes de los proyectos solares, lo que implica una mayor densidad, un rendimiento más estable y una mayor longevidad.

Basadas en algunas características particulares, las baterías de Ni-Cd encuentran su lugar en aplicaciones aeroespaciales y de defensa, atención médica, automoción e industriales.
En general, la cuota de mercado de las baterías de Ni-Cd es apenas de alrededor del 5% o menos. La Comisión Europea ha Reglamento promulgado prohibir el uso de baterías que contengan cadmio en determinadas industrias.

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