Las baterías de Grafeno: Un inquietante salto de calidad

Según reportaje del diario online El Mundo el pasado 04 de diciembre, la española Graphenano, primera compañía productora de grafeno a escala industrial, se ha unido a la Universidad de Córdoba para conseguir las primeras baterías de polímero de grafeno. Según su vicepresidente, José Antonio Martínez, el nuevo producto “presenta una potencia muy superior a la de cualquier otra tecnología disponible en el mercado, un hecho que minimiza el porcentaje de energía desperdiciada durante su uso”. Si una batería de ion-litio (la más avanzada hasta el momento) tiene una densidad de 180 Wh/Kg, una batería de grafeno supera los 600 Wh/Kg. Es decir, se triplica la potencia de la mejor tecnología actual del mercado.

El grafeno también ganará en tiempo de vida. Según Martínez, las baterías de Graphenano son capaces de durar hasta cuatro veces más que las tradicionales de hidruro metálico y dos veces más que las de litio. Así por ejemplo, “un vehículo eléctrico podría alcanzar con esta tecnología los 1.000 kilómetros de autonomía” todo ello con una carga que no superará los ocho minutos. Las baterías de ion-litio de los coches eléctricos actuales necesitan varias horas para recargarse por completo, y su autonomía apenas alcanza los 300 kilómetros. En relación a los costes, estas baterías serán hasta un 77% más económicas y no presentarán problemas de instalación en los vehículos ya existentes, con lo cual se evitarán problemas de adaptación de infraestructuras actualmente disponibles. Grabat Energy, empresa encargada de la comercialización, espera poner en marcha la primera planta de celdas de polímero de grafeno en España durante el primer semestre de 2015.

¿Cómo podrá llevarse a cabo el proceso de carga de una batería tan potente en tan corto tiempo? El tiempo de carga de una batería está vinculada a su velocidad de carga, la cual, al asociarse a la potencia de trabajo implica necesariamente hablar de tensiones y corrientes, todo un tema de debate en nuestro máster MCGE. Veamos…

Con una batería común de Ion de Litio de 24kWh, para una recarga en casa, lenta, monofásica a 230V y corriente de 16A, se requieren entre 6 y 8h de espera. Esta afirmación se puede comprobar mediante el siguiente cálculo:

Así pues, con un factor de pérdidas (cableado, conexiones, electrónica de rectificación de onda y demás) de 0,9 tendríamos que 24000/(230 x 16 x 0,9) = 7,24h.

A continuación, tenemos que una recarga rápida presenta unos requerimientos energéticos sustancialmente superiores. La batería es la misma, por lo tanto, los 24kWh permanecen en nuestra ecuación. Si se necesita bajar los tiempos, se debe aumentar el denominador. Y aquí es donde nacen las complicaciones: este tipo de recargas requieren, en primer lugar, o bien alimentación trifásica o en su defecto alimentación directa en corriente continua. Si deseamos conocer un aproximado de la corriente de carga, será necesario realizar un sencillo despeje en nuestra ecuación, considerando ahora una carga del 80% de la batería a esta velocidad, típico nivel máximo a esta velocidad:

Si un sistema de recarga rápida nos ofrece tiempos aproximados de 30 minutos con alimentación trifásica de 400V, podremos decir que para un mismo factor de pérdidas se tiene que (0,8 x 24000)/(400 x 1,73 x 0,5 x 0,9) = 61,6A. Podéis notar cómo, a pesar del cambio del tipo de instalación, la corriente prácticamente se cuadruplica por fase, de 16A a más de 60A. Y tiene lógica, ya que estas recargas ocurren a potencias que están entre los 40 y los 50kW.

Finalmente, traigamos a la mesa nuestra nueva batería de grafeno, la cual se espera esté disponible este próximo 2015. Ya que se nos ofrece un aumento de la autonomía cercano al triple, debemos considerar cerca de unos 80kWh de energía máxima con esta nueva tecnología. La ecuación es la misma…así que preguntemos ahora ¿cuánta será la potencia requerida para ¡ocho minutos! (0,133horas) suponiendo alimentación trifásica?:

Según esto, una alimentación para una batería del triple de la capacidad y de casi cuatro veces mayor rapidez respecto a la recarga más rápida disponible en la actualidad, necesitaría una potencia de suministro cercana a los (80000 x 0,8) / (0,133 x 0,9)  500kW. ¿Esto en verdad va en serio?

Finalmente, tal y como indica el reportaje, la nueva tecnología viene con una reducción sustanciosa de coste, la cual, vista en solitario, supone el acercamiento del vehículo eléctrico a las posibilidades económicas del cliente. Y tiene lógica: el coste elevado del mismo está asociado en gran parte a su batería. En este punto, el juego se le complica a la red eléctrica: ya que no será nada conveniente que estos vehículos se comercialicen en forma masiva de la noche a la mañana ¿De verdad será posible que el empleo de una batería como esta se lleve a cabo sin adaptación de las infraestructuras de recarga y conexiones en los vehículos? Podéis calcular, a modo de ejercicio, las magnitudes de corrientes necesarias, con ellas imaginar el calibre de los conductores requeridos, y por supuesto, el dolor de cabeza para las compañías distribuidoras de electricidad ¡Sus redes no han sido diseñadas para cargas dinámicas de tantísima magnitud, y con semejantes pulsos de carga!

Este, sin duda, será un tema que dará mucho de qué hablar en el próximo 2015.

¡Felices Fiestas!

Ing. Jonás González Mendible Regidor del Postgrado en Smart Grids 2014 - 2015 La Salle BCN