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Hasta hace poco, las pilas de litio han sido la única fuente de energía independiente para equipos electrónicos que operaban a altas temperaturas, como los que se encuentran en aplicaciones de MWD (medición durante la perforación) en la industria del petróleo y del gas.

Grupo Saft ha desarrollado la primera batería de Li-ión recargable capaz de operar a temperaturas por encima de 125ºC.
Este gran avance en la operatividad de los acumuladores energéticos, teniendo en cuenta que la máxima anterior era de 65ºC, está abriendo un campo de nuevas posibilidades realmente interesantes a la hora de diseñar las herramientas MWD, y también tendrá una especial repercusión para los diseñadores de procesos industriales y de equipamientos médicos.

MWD – Aplicaciones muy exigentes
Debido a las necesidades específicas de diseñadores y fabricantes de herramientas MWD, que son una de las principales fuerzas que impulsan el desarrollo de las nuevas baterías Li-ión, resulta interesante revisar por qué éstas constituyen un requerimiento tan exigente para una batería.
Las herramientas MWD incorporan una variedad de sensores electrónicos, tales como acelerómetros y magnetómetros que permiten que el operador de la superficie cuente con información en tiempo real acerca de la inclinación y la posición del pozo, especialmente en la perforación direccional, así como con comunicación detallada sobre las condiciones en el  trépano (o mecha de perforación) tales como: velocidad de rotación, torque (energía del giro) y peso del taladro, vibración, temperatura y tipo de formación rocosa. Debido a que no existe la posibilidad de crear una unión por cable directa desde la superficie hasta el trépano, la electrónica se acciona y se alimenta gracias al sistema de baterías a bordo, y los datos se transmiten por una técnica conocida como “mud pulse telemetry” (telemetría de pulso por medio de lodos de perforación).

Las herramientas MWD crean un entorno especialmente difícil para las pilas, ya que deben ser capaces de trabajar en un amplio rango de temperaturas –desde muy por debajo de 0ºC  hasta bien por encima de los 100ºC durante la perforación- a la vez que deben aguantar vibraciones muy altas (20g rms) y proporcionar una completa fiabilidad para largos períodos de tiempo (normalmente desde unas pocas horas hasta más de 20). “El tiempo es dinero” es una máxima primordial en la industria de la exploración.
Cada vez que el equipamiento del fondo del pozo tiene que regresar a la superficie, cuesta decenas de miles de dólares debido al tiempo perdido, por eso una prematura retirada para reemplazar una pila usada del MWD puede añadir costes significativos en la operación. Además, el gasto que ocasiona el transporte urgente de una batería de repuesto, que a menudo es en helicóptero, podría ser muchas veces el equivalente a su propio coste.

¿Por qué usar baterías recargables?
Las potenciales ventajas de la utilización de esta tecnología en las herramientas MWD se ilustran mejor considerando las diversas secuencias en el ciclo de las actuales pilas no recargables:
Durante la perforación hay un continuo flujo de lodo. La batería ofrece un bajo rendimiento a las herramientas MWD.
Cuando la perforación ha llegado hasta el punto en el que una nueva sección de 90 pies (stand) tiene que insertarse en la superficie, se interrumpe la actividad y el flujo de lodo se detiene. Durante esta parada los sensores de la herramienta MWD están activados. La batería emite una descarga de corriente durante unos segundos, seguidos de una bajada de corriente durante varios minutos.
La perforación se restablece, el flujo de lodo se reanuda, y la batería emite un pulso de corriente durante unos minutos mientras que los datos se transmiten a la superficie mediante la telemetría electromagnética. La corriente requerida por el MWD baja de nuevo a marcha lenta hasta que se solicite para la próxima medición.

Normalmente este ciclo necesita una batería preparada para repartir seis ciclos de pulsos de 10 minutos por hora, durante una operación de perforación que dura alrededor de 80 horas. Al final de la maniobra la pila gastada ha de ser sustituida. Si por alguna razón, la perforación se tiene que detener prematuramente, por ejemplo para reemplazar el trépano, y la herramienta MWD regresa a la superficie, entonces el acumulador energético se tiene que reemplazar. Esto es para asegurar que hay un margen de seguridad de energía suficiente en la batería para mantener en funcionamiento el sistema de medición hasta  la finalización de la perforación. Una pila podría ser desechada con la mitad de su carga sin utilizar.

Una alternativa interesante, que se encuentra en fase de desarrollo, es sustituir la batería principal por un sistema eléctrico que comprende el generador de turbina propulsada por el flujo de lodo, que carga un acumulador recargable. Ahora, en lugar de actuar como la principal fuente de energía, la pila de a bordo funciona como un buffer.
Durante los períodos de medición, la operación sobre el equipamiento de herramienta MWD con una batería recargable es similar a la de los utensilios equipados con acumuladores convencionales. El estudio se lleva a cabo durante períodos de inactividad, cuando se agrega una nueva sección y la pila se descarga. La principal diferencia es que cuando se inicia la perforación, la telemetría transmite datos a la superficie, el flujo del lodo hace girar la turbina y éste es el momento en el que el acumulador de energía se recarga.

En lugar de dimensionar una batería para que proporcione toda la energía necesaria al instrumento MWD durante 80 horas de servicio, el diseñador puede especificar ahora una pila mucho más pequeña y ligera, que sólo tenga que soportar alrededor de seis ciclos de 12 minutos antes de su recarga. Esto representa un significativo desarrollo en la tecnología que tiene un alto potencial para el diseño de herramientas MWD revolucionarias y simplifica las operaciones de perforación.
Además, la batería recargable tendrá la duración necesaria para usarse en muchas operaciones antes de que se necesite sustituirla. Esto podría eliminar completamente la necesidad de retirar una herramienta MWD para reemplazar un acumulador de energía agotado, con el beneficio que implica mejorar la continuidad en las actividades de perforación. Tampoco es un problema si una parada en la operación significa que la herramienta MWD ha de ser llevada a la superficie prematuramente, ya que ahora no será necesario reemplazar la pila.

Usos en procesos industriales
Como complemento a las MWD, las baterías de Li-ión resistentes a las altas temperaturas, son también adecuadas para usos industriales donde es necesario emplear varios registros de datos y sensores para supervisar los avances y parámetros de calidad de un proceso de calentamiento. En la actualidad, cada instrumento de monitorización requiere su propio cable. Una solución más elegante sería la ofrecida por un sistema inalámbrico, alimentado por una batería de Li-ión capaz de soportar altas temperaturas. Cada sistema transmitiría datos por radio, requiriendo únicamente un nuevo pozo para la antena de recepción.

Usos médicos
Los instrumentos médicos se esterilizan generalmente en un autoclave con vapor y altas temperaturas, aproximadamente a 120°C durante un período de 20 a 30 minutos. Por eso, un equipo alimentado por una batería, como un taladro quirúrgico inalámbrico, tiene que tener un paquete de pilas independientes que se pueda manejar por separado. Sin embargo, las nuevas pilas Li-ión permitirán diseñar el equipo wireless con las baterías ‘fit and forget’ (sistema por el que la célula energética se instala y no necesita mantenimiento) que continúan siendo invulnerables al proceso de la esterilización. 

Adaptación de la tecnología Li-ión para alcanzar el desafío de las altas temperaturas
Desde que las baterías Li-ión diseñadas específicamente para aplicaciones industriales comenzaron a comercializarse a principios de los ‘90, han tenido una reputación excelente debido a la fiabilidad de su funcionamiento en condiciones extremadamente arduas, por ejemplo en usos militares y vuelos espaciales.
Existía un importante desafío que hubo que superar, ya que la temperatura máxima de funcionamiento seguro de los diseños existentes de las baterías Li-ión era de +65°C. El programa de desarrollo de Saft ha refinado el diseño de las pilas para elevar este umbral a +125°C.

Consideraciones del diseño de la batería
En un proyecto de Investigación & Desarrollo (I+D) de cuatro años, el aumento en la temperatura de funcionamiento se alcanzó centrándose en tres aspectos específicos del diseño de una batería Li-ión cilíndrica:

Electrolito
Normalmente, se espera que el electrolito orgánico funcione sobre una gama de -40/50°C a +65°C. Éste ha sido sustituido por un electrolito específico que funciona desde 0°C a +125°C.

Separador de la batería
Este dispositivo es una membrana plástica fina que separa los electrodos positivos y negativos, permitiendo que ocurra el intercambio de iones. En una célula estándar esto proporcionaría una parada de seguridad en +135°C. Se ha desarrollado un nuevo separador y se han introducido dispositivos de seguridad alternativos.

Electrodos
Se han fabricado electrodos positivos de óxido de litio y electrodos negativos de carbón que siguen siendo estables a temperaturas altas.

Además de cumplir los requerimientos de temperatura, se ha desarrollado un nuevo diseño rugoso de un recipiente de acero inoxidable y conexiones eléctricas para alcanzar criterios de vibración y descarga. Éstos incluyen soportar picos de 750 A de descarga, un perfil aleatorio de vibración de 20 Grms y una curva sinusoide lineal con picos de 30G.
La primera batería de alta temperatura que ha resultado de este programa es la de tamaño C designada VL 25500-125, con una capacidad nominal de 2 Ah, a la que le ha seguido la de tamaño D, denominada VL32600-125, con más de 4 Ah.  

La capacidad a bajas temperaturas también es importante
No sólo las altas temperaturas son importantes. En algunos casos, por ejemplo en la exploración de petróleo y gas en el Ártico, las pruebas en superficie con herramientas de medición durante la perforación (MWD), esta fase previa al descenso en el pozo, puede necesitar realizarse a temperaturas muy frías. Por ello, la capacidad de la batería Li-ión de cargar y descargar a temperaturas por debajo de 0°C permite que estas pruebas puedan llevarse a cabo sin tener que tomar medidas especiales.

Optimización de la vida de la batería
Las células de Li-ión no sufren de muerte súbita. En su lugar, se produce una disminución gradual de su capacidad a lo largo del tiempo, que puede restaurarse mediante su carga. Los factores clave que determinan la vida de la batería, definidos como el porcentaje de la capacidad inicial que perdura, son:

-    Temperatura
-    Descarga del equipo
-    Severidad del régimen del ciclo

La Figura 1 muestra los resultados de las pruebas realizadas en la batería de tamaño C, completando un ciclo al 100% de profundidad de descarga (estado en el que la célula se descarga totalmente bajando a su voltaje mínimo de funcionamiento de 2,5 V) en una temperatura máxima de funcionamiento de 125°C, así como en el rango comprendido entre 115°C y 80°C. A 125°C, en aproximadamente 30 ciclos completos, la capacidad de la célula ha caído alrededor del 70%. Observamos esto como un criterio de utilidad al final de su vida, cómo debajo del 70% de capacidad la célula puede no ofrecer suficiente tiempo para completar su ciclo.
Es interesante ver el efecto dramático que puede conseguirse en el período de vida, seleccionando y optimizando un régimen que limite el uso de la célula a una ventana operacional de voltaje estrecha, con una profundidad de descarga (por debajo de 3 V) y una carga a 3,9 V (comparados a un máximo de 4,1 V) al índice recomendado de C/5, donde C es la capacidad nominal.
Se realizó una prueba con períodos de pulso de 10 minutos a un régimen de C/5 (con un pulso de 400 mA) seguidos de 1 hora, cada uno repetido 20 veces para crear un ciclo de descarga, y luego la célula se recargó (véase la Figura 2). El gráfico de la Figura 3 muestra el efecto bajo este régimen, en 115°C y 125°C, la batería podría alcanzar un mínimo de 47 ciclos, equivalentes a 50 días de aplicación MWD en un pozo de perforación.

Consideraciones de seguridad
La nueva batería es capaz de operar a temperaturas que van desde 0ºC hasta 125ºC. Sin embargo, las pruebas de funcionamiento fuera de este rango, han demostrado que es totalmente segura cuando se expone a 150ºC durante largos períodos de tiempo. Incluso después de 72 horas, no hay fuego, ni llamas, únicamente, una cierta hinchazón del recipiente. Esto proporciona un margen de seguridad útil, por ejemplo, en caso de que una herramienta MWD envíe por error una barrena por debajo de su límite normal, o cuando se enfrentan a una bolsa de gas caliente. En usos industriales y médicos, este margen es también útil en el caso del control de la temperatura de un mal funcionamiento del proceso del autoclave o de un horno.
La nueva célula también ha terminado con éxito una gama completa de otras pruebas de seguridad que incluye golpes y vibraciones, sobrecargas, cortocircuitos, y ensayos de sobrecarga e incendio.
El diseño de la nueva pila de Li-ión ha aprobado los test de transporte de las Naciones Unidas. Esto significa que los sistemas que los contienen se pueden enviar por todo el mundo como sistemas de baterías Li-ión.

Las baterías para altas temperaturas, los modelos en tamaños C y D del Grupo Saft, ofrecen importantes oportunidades para nuevos diseños, no sólo de los instrumentos MWD, sino también de procesos industriales y aplicaciones de equipos médicos.

Recomendamos que para garantizar que esta nueva tecnología de Li-ión se explote al máximo, es de vital importancia que los proveedores de baterías y el fabricante del dispositivo trabajen de manera conjunta en los diseños de los equipos y de los sistemas eléctricos.

Autor: Antoine Brenier, miembro del Grupo de Baterías Especiales de Grupo Saft

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