Introducción
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) representan una tecnología clave en la transición hacia fuentes de energía renovables, permitiendo la estabilización de redes eléctricas, el almacenamiento de energía excedente y la optimización de operaciones en aplicaciones como la generación solar y eólica. Sin embargo, uno de los desafíos críticos en el diseño de estos sistemas es la gestión térmica, ya que las baterías generan calor durante los ciclos de carga y descarga, lo que puede afectar a su rendimiento, seguridad y vida útil. Existen dos tecnologías de refrigeración: por líquido y por aire. Cada una opera bajo principios físicos distintos de transferencia de calor —conducción, convección y radiación— y se selecciona según factores como la densidad de potencia, el entorno ambiental y los requisitos de mantenimiento. En este artículo, analizaremos sus principios generales, ventajas, desventajas y, finalmente, explicaremos por qué ciertas aplicaciones, como las implementadas por Pramac, optan por la refrigeración por aire en escenarios específicos.
Refrigeración Líquida
La refrigeración líquida implica el uso de medios de enfriamiento como agua, aceite mineral, glicol u otros fluidos especializados. El principio básico radica en la circulación del refrigerante en contacto directo o indirecto con las celdas de la batería, facilitando una transferencia de calor eficiente. Puede realizarse por contacto directo, donde las baterías se sumergen directamente en el refrigerante, permitiendo un contacto inmediato con las celdas. Esto maximiza la disipación de calor al eliminar barreras intermedias. Asimismo, pueden refrigerar por contacto indirecto mediante la instalación de placas de refrigeración y canales de flujo entre o alrededor de las celdas de la batería. El refrigerante circula a través de estos canales, absorbiendo el calor sin entrar en contacto directo con los componentes eléctricos.
Este enfoque aprovecha las propiedades físicas superiores de los líquidos, como su mayor capacidad calorífica y conductividad térmica en comparación con el aire.
La refrigeración líquida ofrece una serie de ventajas. En cuanto a eficiencia, los líquidos tienen propiedades de transferencia de calor superiores al aire, permitiendo disipar grandes cantidades de energía térmica de manera rápida. Esto es especialmente útil en aplicaciones con altas corrientes de carga y descarga, donde el sobrecalentamiento puede comprometer la seguridad y la vida útil de las celdas. Además, proporcionan una distribución térmica más uniforme. Al circular a través de placas o inmersión directa, el líquido logra mantener temperaturas homogéneas entre celdas, evitando puntos calientes que pueden acelerar el envejecimiento de las baterías.
Además, aportan mayor eficiencia en entornos confinados ya que los sistemas de refrigeración líquida pueden integrarse en espacios compactos, donde la circulación de aire sería insuficiente para evacuar el calor generado.
Los sistemas de refrigeración líquida conllevan también una serie de limitaciones, como la compatibilidad del refrigerante. El líquido debe ser químicamente compatible con materiales de las baterías y componentes del sistema, resistente a corrosión y estable frente a temperaturas extremas. Es necesario tener en cuenta que el uso de estos líquidos conlleva riesgo de fugas y mayor necesidad de sellado ya que cualquier filtración de líquido puede causar daños eléctricos y riesgos de seguridad, por lo que los requisitos de estanqueidad son estrictos.
Otra limitación de la refrigeración líquida es la complejidad de integración, el sistema requiere de bombas, tuberías, válvulas y sistemas de control adicionales, aumentando la complejidad del diseño y los costes iniciales. Del mismo modo, los costes de mantenimiento son mayores debido a que la reparación de sistemas con refrigeración líquida suele ser más compleja y requiere personal técnico capacitado, incrementando los costes operativos.
Ese impacto económico afecta también al coste de los componentes, junto con el consumo energético de bombas y sistemas de control, puede no justificarse en aplicaciones de baja exigencia térmica.
Podemos concluir que la refrigeración líquida es ideal para aplicaciones de alta densidad de energía donde se requiere una disipación rápida de calor, pero su implementación conlleva desafíos logísticos y económicos significativos.
Refrigeración por aire
La refrigeración por aire utiliza el aire como medio principal para el intercambio de calor, promoviendo la circulación de aire alrededor de las baterías. Este método se divide en dos categorías principales:
- La convección natural, que consiste en un sistema pasivo que aprovecha el flujo natural de aire ambiental para disipar el calor. No requiere componentes activos, lo que lo hace simple y energéticamente eficiente en entornos con temperaturas moderadas.
- La convección forzada, que incorpora ventiladores o conductos de aire diseñados específicamente para generar un flujo dirigido, mejorando la disipación en espacios confinados o bajo cargas térmicas más altas.
Este método es ampliamente adoptado debido a su simplicidad y bajo impacto ambiental, ya que no involucra fluidos potencialmente contaminantes. Entre otras ventajas, cuenta con mayor simplicidad y fiabilidad al incorporar menos componentes mecánicos y eléctricos, reduciendo riesgos de fallo y tiempos de inactividad. Este sistema proporciona una mayor flexibilidad de integración debido a su fácil adaptación a diferentes tamaños y configuraciones de módulos. En cuanto a eficiencia energética, en aplicaciones moderadas, ciclos bajos (0,25–0,8C), la energía consumida por ventiladores representa <1% de la potencia nominal. En lo que respecta a costes, el mantenimiento es sencillo y más económico ya que los ventiladores y conductos son fáciles de inspeccionar y reemplazar, sin necesidad de líquidos ni bombas. A todo esto, se le suma su mayor sostenibilidad ambiental al no necesitar líquidos que puedan contaminar y generar residuos químicos.
La refrigeración por aire presenta algunas limitaciones técnicas, como una capacidad limitada a altas cargas, ya que la baja conductividad y capacidad calorífica limitan la disipación rápida en aplicaciones >1C. También supone una mayor desigualdad térmica al ser más complicado mantener ±2°C entre celdas, especialmente en configuraciones densas o apiladas. Además, los tiempos de recuperación son más largos tras un sobrecalentamiento o subenfriamiento, debido a la menor densidad energética del aire.
Conclusión
Aunque la refrigeración por aire puede no ser tan eficiente en escenarios extremos, su facilidad de integración la hace preferible en muchas aplicaciones industriales. En muchos BESS de uso diario limitado, la refrigeración por aire logra mantener un balance óptimo entre rendimiento térmico, coste y sostenibilidad, consolidándose como la opción preferida en aplicaciones comerciales y residenciales.
En el contexto de aplicaciones específicas, como las desarrolladas por Pramac, la refrigeración por aire se selecciona por su alineación con objetivos operativos y económicos. Enfocados en una vida útil extendida con tasas de C moderadas (0.25-0.8C), la refrigeración líquida no ofrece ventajas significativas, ya que las cargas térmicas no justifican su complejidad adicional. Además, en escenarios con un ciclo por día (por ejemplo, en sistemas EVO), los costos específicos son altos, haciendo que la refrigeración por aire sea más rentable. Su mantenimiento sencillo asegura una operación fiable y de bajo costo a largo plazo.
En última instancia, la elección entre un sistema de refrigeración u otro va a depender del perfil de uso del BESS. Para sistemas con demandas térmicas moderadas, el aire representa una solución óptima, promoviendo la adopción masiva de tecnologías de almacenamiento sostenible. Futuras investigaciones podrían explorar híbridos para optimizar aún más estos sistemas en entornos variables.
Artículo escrito por:
Pramac
