Las estaciones de energía se han popularizado enormemente en cualquier ámbito durante los últimos años. Pero ¿Qué son y cómo funcionan?
Una de las tecnologías que más se ha popularizado recientemente, son las estaciones de energía portátiles, que consisten esencialmente en una caja con baterías y puertos para conectar lo que queramos.
No importa si se trata de una salida al campo, de una zona en construcción o como sistema de emergencia, las estaciones de energía cumplen perfectamente su trabajo. Sin embargo, ¿Alguna vez se han preguntado cómo es que funcionan y de qué están hechas?
Para responder esa interrogativa, es necesario volver un par de pasos atrás, a la base de su funcionamiento:
Los aparatos que usamos en casa, —como electrodomésticos y bombillas— usan un tipo de energía que se denomina corriente alterna —o AC, por sus siglas en inglés—. La corriente alterna se caracteriza por funcionar a través de pulsos oscilatorios que alternan entre 50 y 60 veces por segundo, dependiendo del país donde nos encontremos. En el caso de Chile y buena parte del mundo, son 50.
Si representáramos dicha energía en una gráfica, el resultado formaría una onda sinusoidal pura, muy parecida a la siguiente:
Por su parte, las baterías y la mayoría de los componentes electrónicos funcionan con otro tipo de energía, conocida como corriente directa o continua —DC, por sus siglas en inglés—. A diferencia de la alterna, ésta no posee oscilaciones o cambios con el tiempo, y si la representáramos en la gráfica anterior, sería algo muy parecido a una línea recta que jamás se detiene.
A simple vista, las estaciones de energía son pequeños contenedores rectangulares en los que encontramos varias tomas de corriente, ocasionalmente algunos puertos USB, y un puerto de carga para todo el sistema. Pero mucho antes de que la energía de dicha caja llegue a nuestros dispositivos, ocurre un proceso mucho más complejo de lo que se aparenta a simple vista.
Antes de entrar de lleno a todos los sistemas con los que cuenta una estación de energía, es necesario dar un pequeño repaso a los tipos de celdas que se encuentran dentro de estos equipos. Todas están basadas en el litio, pero en distintos ‘sabores’, que otorgan capacidades especiales según el caso.
La masificación y evolución de las baterías de ion de litio, ha permitido que las veamos en otras áreas que hasta no hace mucho estaban dominadas por alternativas más contaminantes, o con menos densidad, como en el caso de los generadores portátiles a gasolina, o las baterías de ácido-plomo.
Si bien los fabricantes están desarrollando constantemente la química de las baterías de iones de litio, actualmente encontramos dos tecnologías principales bastante masificadas: Las celdas de lítio-ferrofosfato (LiFePO4, o Li-LFP), y aquellas basadas en litio-oxido de níquel, cobalto y manganeso (LiNixMnyCozO2, o Li-NMC para los amigos).
Las baterías de litio-ferrofosfato son una tecnología relativamente reciente de celdas de ion de litio, que poseen entre 2750 y 12500 ciclos de carga y descarga. Esto les permite mantener su capacidad completa por muchísimo más tiempo, especialmente al compararlos con los ciclos de una batería tradicional.
También resultan mucho más económicas de fabricar, ya que no requieren materias primas difíciles de conseguir —como el cobalto—, dentro de su proceso, y gracias a su durabilidad, se están posicionando como excelentes candidatas para su uso en vehículos eléctricos.
Un punto no menos importante, es que la química de las baterías Li-LFP es mucho más estable que otras alternativas, lo que supone un menor riesgo de incendio o explosión ante un mal manejo, que a su vez se traduce en un producto más seguro para su transporte y uso.
Por su parte, las celdas Li-NMC son mucho más densas energéticamente hablando, permitiendo que los equipos en los que se encuentran sean bastante más pequeños que aquellos basados en baterías LiFePO4.
Además, estas celdas poseen una capacidad de respuesta bastante estable ante altos consumos, lo que las hace ideales para aplicaciones que requieran proporcionar una gran cantidad de potencia en un corto plazo.
Desafortunadamente, el uso de tierras raras hace que su precio se eleve enormemente, sumado a que este tipo de celdas cuentan con una duración de entre 2000 a 2500 ciclos, antes de degradarse rápidamente.
Las primeras estaciones de energía utilizaban este tipo de celdas, aunque poco a poco han ido migrando a los diseños basados en baterías Li-LFP.
La mayoría de las estaciones de energía portátiles o para el hogar, permiten cargarlas desde un gran número de fuentes. Ya sea que las mantengamos conectadas a la red eléctrica tradicional, a una fuente de energía limpia —como los paneles solares—, e incluso enchufarlas directamente al encendedor de cigarrillos de un auto. Las posibilidades son infinitas.
Por otro lado, no solo se trata de poder cargar nuestro equipo de múltiples formas, sino mantener el banco de baterías en buen estado, y aquí es donde el controlador de carga entra en juego.
Este circuito, que en realidad son varios sistemas en uno, se encarga de administrar y regular la cantidad de energía que es ingresada al banco de baterías, así como de vigilar todos los parámetros posibles—como temperatura, consumo y salud de las celdas—, para accionar las medidas de seguridad adecuadas, con tal de prolongar la vida útil de dicha estación de energía.
El controlador de carga suele estar acompañado de un circuito rectificador. Este se encarga de convertir la corriente alterna en corriente continua. Así, la energía proveniente de la red eléctrica puede ser utilizada para poder cargar las baterías sin mayor inconveniente.
Para que nuestros electrodomésticos u otros aparatos funcionen a partir de la energía almacenada en las baterías, es necesario que se convierta a corriente alterna. Y aquí es donde el inversor hace su aparición.
A grandes rasgos, el inversor suele ser un dispositivo electrónico o circuito que permite convertir una fuente de energía DC, a corriente alterna. Dependiendo de la complejidad de este componente, la corriente alterna resultante puede ser algo más ‘impura’, —como una onda cuadrada o sinusoidal modificada—, o bien, una onda sinusoidal pura.
Entre más ‘pura’ sea la onda sinusoidal proveniente del inversor, todo aquello que conectemos estará funcionando de forma más eficiente, especialmente si se trata de dispositivos electrónicos o aparatos de alto consumo.
Por el contrario, una onda cuadrada o modificada, tiende a introducir ruido eléctrico a los circuitos electrónicos que sean alimentados con ella, un efecto que es bastante notorio en equipos de audio y ocasionalmente, en algunos electrodomésticos con motor.
En el caso de las estaciones de energía portátiles, la ‘conversión’ se realiza a partir de un banco de baterías recargables, que pasan a través del inversor, para entregarnos la energía que nuestros aparatos necesitan.
Con tal de hacer más eficiente el uso de la carga almacenada, estos equipos cuentan con puertos USB para cargar nuestros dispositivos sin necesidad de utilizar un adaptador de corriente, otorgando una mayor autonomía al recortar pérdidas comunes por la conversión AC-DC.
No obstante, para que nuestros dispositivos no sufran daños al conectarlos, las estaciones cuentan con un circuito regulador/convertidor DC-DC, que se encarga de gestionar la energía proveniente de las baterías, en algo más manejable para cada gadget. Concretamente, salidas USB estándar de 10W, llegando hasta los 100W o más, mediante USB Power Delivery.
En algunos casos, también podemos encontrar salidas DC de 12V con conectores de ‘barril’ estándar, puertos Anderson para aparatos de alto consumo o casas rodantes, y hasta sockets de encendedor, como el que tienen los autos.
Últimamente, las estaciones de energía se han popularizado no como unidades independientes, sino como componentes de un sistema completo de almacenamiento de energía para el hogar. Su uso va desde unidades de emergencia, hasta como sustitutos a las baterías de ciclado profundo usadas en aplicaciones fotovoltaicas. En parte, gracias a sus entradas AC.
En el caso de los sistemas de emergencia, la idea es que estén permanentemente conectados a la red eléctrica, y que nuestros electrodomésticos o productos se encuentren conectados a la batería, para que, al ocurrir alguna interrupción en el servicio, todo siga funcionando automáticamente.
Para ello, hacen uso de un interruptor de transferencia interno, que alterna entre la electricidad que viene desde nuestro proveedor de servicio y el inversor del equipo, con la condición de que, si falta la primera, la segunda entra como respaldo.
Además, algunos fabricantes han desarrollado soluciones que permiten interconectar varias estaciones de energía a un sistema automático general para el hogar, en el cual se suman las capacidades individuales de cada equipo, para ser controlados como una sola unidad.
Usualmente, hacen uso de una serie de cajas/adaptadores, a la par de un sistema de control inteligente que el usuario puede programar en base a sus necesidades, sin importar de donde obtenga la electricidad.
En caso de que las baterías internas se queden algo cortas para nuestras necesidades, casi todas las estaciones de energía cuentan con puertos especiales para añadir unidades de expansión.
Se trata de cajas similares al equipo principal, que no cuentan con varios de los sistemas que la unidad principal si contiene, como el inversor, el rectificador, las salidas AC y USB, el interruptor de transferencia y la capacidad de cargarse independientemente con una fuente DC.
En esencia, solo poseen un único puerto que se conecta directamente a la estación de energía, aumentando la capacidad de la misma y gestionando ambas partes como si fuera una sola.
