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Ventajas de las baterías LInadium LiFePO4

DESVENTAJAS DE LAS BATERÍAS CONVENCIONALES DE PLOMO ÁCIDO

1.- Capacidad “utilizable” limitada:

Se considera normalmente razonable usar sólo entre el 30 y el 50% de la capacidad nominal de las típicas baterías de plomo ácido de “ciclo profundo”. Esto significa que un banco de batería de 600 A hora en la práctica sólo proporciona en el mejor de los casos una capacidad real de 300 A hora. Si incluso ocasionalmente vacía las baterías más que esto, su vida se acortará drásticamente.

2.- Ciclo de vida limitado:

Incluso si lo tomas con calma con tus baterías y tienes cuidado para nunca vaciarlas demasiado, incluso las mejores baterías de plomo ácido de ciclo profundo son normalmente sólo buenas para 500-1000 ciclos. Esto podría significar que tus baterías pueden necesitar ser reemplazadas después de un uso de menos de dos años.

3.- Carga lenta e ineficiente:

El 20% final de la capacidad de la batería de plomo ácido no puede ser cargado “con rapidez”. El primer 80%, puede ser cargado “mayoritariamente” por un cargador inteligente de tres fases rápidamente (particularmente, las baterías AGM pueden manejar una alta corriente de carga mayoritaria), pero entonces, la fase de “absorción” empieza y la corriente de carga cae drásticamente.

Sólo con un proyecto de desarrollo de software, el último 20% del trabajo puede acabar ocupando el 80% del tiempo.

Esto no es un buen negocio si estás cargando conectado por la noche, pues tienes que permitir al generador diesel trabajar durante horas (que puede ser bastante ruidoso y caro). Y si dependes de solar y el sol se pone antes de que el 20% final haya culminado, puedes fácilmente terminar con baterías que nunca se cargarán enteras realmente.

El no cargar completamente el pequeño porcentaje final podría no ser más que un problema en la práctica, si no fuese por el hecho de que un fallo al cargar las baterías de plomo ácido las envejece prematuramente.

4.- Energía desperdiciada:

Además de todo ese tiempo gastado del generador diesel, las baterías de plomo ácido sufren problemas inherentes en su eficiencia; desperdician el 15% de la energía empleada en su carga, por lo que si proporcionas 100 A de, sólo podrás almacenar 85 A hora.

Esto puede ser especialmente frustrante cuando se carga vía solar, cuando necesitas disponer de la máxima eficiencia con todos los amperios como sea posible antes de que el sol se ponga o se cubra por las nubes.

5.- Pérdidas de Peukert:

Cuanto más rápido descargues una batería de plomo ácido de cualquier tipo, menos energía obtienes de ella. Este efecto se calcula aplicando la Ley de Peukert (denominada así debido al científico alemán W. Peukert), y en la práctica, esto significa que las cargas de corriente alta como un aire acondicionado, un micro-ondas o un fogón de inducción puedan dar lugar a un banco de batería de plomo ácido inmenso siendo capaz realmente de entregar tan sólo el 60% de su capacidad normal. Esta es una pérdida enorme de capacidad cuando más lo necesitas…

El ejemplo de arriba nos muestra especificaciones técnicas de un modelo  comercial concreto: Esta especificación declara que la batería puede suministrar el 100% de su capacidad nominal si se descarga en 20 horas (C/20). Si se descargase en una hora (C/1), sólo el 60% de la capacidad nominal será entregada por la batería. Esto es un efecto directo de las pérdidas de Peukert.

Al final del día, una batería de plomo ácido monoblock con una capacidad teórica de 100 A hora en C/20 suministraría una capacidad utilizable tan sólo de 30 A hora cuando se descargase en una hora, como resultado de la disponibilidad del 50% de profundidad de carga (50% DoD – punto 1), y el 60& de ese 50% por pérdidas de Peukert:

30Ah = 100Ah x 50% DoD x 60% (pérdidas de Peukert)

Importante: una batería de plomo ácido de 100Ah en etiqueta sólo nos aportará 30 Ah en la práctica.

6.- Cuestiones de ubicación:

La batería de plomo ácido libera gas ácido nocivo mientras se está cargando, y debe ser albergada en un recinto sellado que esté ventilado al exterior. También deben ser almacenadas de forma vertical para evitar derrames de ácido de la batería.

7.- Requisitos de mantenimiento:

Las baterías de plomo ácido deben ser rellenadas periódicamente con agua destilada, que puede ser una tarea de mantenimiento complicada si los huecos de la batería son de difícil acceso.

Aunque las monoblock y las baterías de gel tienen verdaderamente un mantenimiento nulo, si accidentalmente se sobrecargan se destruyen irreversiblemente.

8.-Caída de tensión:

Una batería de plomo ácido de 12V cargada completamente comienza alrededor de los 12,8V, pero según se va vaciando, el voltaje cae rápidamente.

9.- Tamaño y peso:

VENTAJAS DE LAS BATERÍAS DE IÓN LITIO DE CÁTODO DE FOSFATO DE HIERRO LITIO (LiFePO4)

Las baterías de plomo ácido están hechas (no sorprendentemente) de una mezcla de placas de plomo y ácido sulfúrico. Este era el primer tipo de batería recargable inventado allá por 1859.

Por otra parte, las baterías ión-litio son una invención mucho más nueva, y sólo han estado por aquí, comercialmente hablando, desde los 80.

La tecnología del litio ha llegado a estar bien probada en electrónica de pequeña potencia tal como portátiles o herramientas inalámbricas, y ha llegado a ser progresivamente común en estas aplicaciones – saliendo de la más vieja composición química de la batería recargable NiCad (níquel-cadmio) debido a las muchas ventajas del litio.

Pero como pueden recordar las muchas historias de hace unos pocos años sobre las baterías de los portátiles defectuosos estallando en llamas – las baterías ión-litio también ganaron una reputación para prenderse fuego en una moda dramática. La formulación de la batería de ión-litio comúnmente usada había sido LiCoO2 (litio-cobalto-óxido), y esta composición química de batería es propenso al escape térmico si la batería está sobrecargada accidentalmente. Esto podría conducir a la batería a saltar en llamar por sí misma – y un fuego de litio arde caliente y rápido.

Esta es una de las razones por las que el litio raramente es usado para crear bancos de batería grandes.

Pero en 1966 una nueva fórmula de baterías ión-litio fue desarrollada – litio-ión-fosfato. Conocidas como LiFePO4 o LFP, estas baterías tienen una densidad de energía ligeramente más baja pero son intrínsecamente incombustibles, y mucho más seguras que las de litio-cobalto-óxido. Y una vez que considere las ventajas, las baterías ión-litio llegan a ser extremadamente tentadoras.

1.- Capacidad “utilizable” superior:

A diferencia de las baterías de plomo ácido, se consideran prácticas para usar regularmente el 90% de la capacidad nominal de un banco de batería de litio, y ocasionalmente más. Considere una batería de 100 A hora – si fuese de plomo ácido sería sólo se podría usar 30 a 50 A hora de capacidad, pero con el litio LFP podrías aprovechar 90 A hora o incluso 100 A hora (100% DoD o profundidad de descarga).

2.- Ciclos de Vida superiores:

Los resultados experimentales indican que podría esperar de 3.000 a 10.000 ciclos de vida para un banco de baterías de fosfato de litio-hierro. Ambos, el ratio C y la profundidad de descarga (DoD) afectan a la vida útil esperada. Alguna medida reciente muestra que una batería LFP entregará más del 80% de su capacidad después de 3.000 ciclos al 100% DoD (profundidad de descarga) o incluso 8.000 ciclos al 65% DoD (profundidad de descarga). Todos estos tests están hechos con ciclos de ratio 1C, es decir, con ritmos de cargas – descargas de 1 hora; si este ritmo o tiempo es superior, los ciclos aumentan notablemente, pudiendo llegar a los 20.000 ciclos.

En contraste, incluso las mejores baterías de plomo ácido de ciclo profundo nos aportan 250-1.200 ciclos.

El dibujo de debajo muestra el número esperado de ciclos para las baterías de lirio-ión-fosfato en diferentes DoD en ratio 1C, es decir, cargas y descargas en 1h.

3.- Pérdidas de Peukert y Caída de Voltaje virtualmente no existentes:

La curva de descarga de las baterías de litio (especialmente en comparación con el plomo ácido) es esencialmente plana – significando que una batería cargada al 20% suministrará prácticamente el mismo voltaje de salida que una batería cargada al 80%. Esto previene de los problemas derivados de la “caída del voltaje”, problema típico para el plomo ácido cuando se descarga.

En contrapartida, una vez que las baterías de litio están completamente descargadas, sus voltajes caen en picado rápidamente – es misión del BMS proteger las baterías para que absolutamente nunca ocurra esto. Completamente descargado, un banco de ión-litio, incluso una vez, puede quedar permanentemente muerto.

Otra gran ventaja de las baterías de litio es que las pérdidas de Peukert son esencialmente inexistentes. Esto significa que las baterías ión-litio pueden entregar su capacidad nominal completa, incluso con corrientes altas. Mientras, el plomo ácido puede ver hasta el 40% de pérdida de su capacidad en cargas altas. En la práctica, esto significa que los bancos de batería ión-litio encajan muy bien para alimentar cargas de corrientes altas como un aire acondicionado, un micro-ondas o un fogón de inducción.

4.- Ventajas de tamaño y peso

Para destacar la única característica en términos de peso y tamaño de las baterías de ión-litio, cojamos un ejemplo concreto de dos baterías comerciales (evitaremos nombrar las marcas): plomo ácido vs batería de litio.

5.- Carga rápida y eficiente

Las baterías ión-litio pueden ser cargadas “rápidamente” al 100% de capacidad. A diferencia con la de plomo ácido, no hay necesidad de la fase final de absorción para obtener el 20% de almacenamiento final. Y, si tu cargador es lo suficientemente potente, las baterías de litio también pueden ser cargadas increíblemente rápido. Si puedes suministrar suficientes amperios de carga – puedes realmente cargar por completo una batería ión-litio en sólo 30 minutos!

Pero incluso si no puedes llenarlo totalmente al 100%, no te preocupes – a diferencia del plomo ácido, este fenómeno no daña las baterías.

Esto nos da mucha flexibilidad a la hora de seleccionar las fuentes de energía sin necesidad de preocuparnos de hacer periódicamente una carga completa. ¿Varios días parcialmente nubosos con tu sistema solar? Sin problema. Con litio,  carga lo que puedas y no te preocupes de dejar el banco de baterías perpetuamente infracargado.

6.- Muy poca energía desperdiciada:

Las baterías plomo ácido son menos eficientes en almacenar energía que las baterías ión-litio. Las baterías de litio cargan al casi 100% de eficiencia, comparado con el 85% de eficiencia de la mayoría de las baterías de plomo ácido.

Esto puede ser especialmente importante cuando cargas vía solar, cuando estás intentando sacar la máxima eficiencia posible de todos los amperios antes de que el sol se vaya o se cubra de nubes. Con tejado limitado esto llega a ser muy importante al optimizar toda superficie de potencia que puedes montar.

7.- Resistencia climática:

Las baterías de plomo ácido y de litio pierden capacidad en ambientes fríos. Sin embargo, como puedes ver en el diagrama de debajo, las baterías ión-litio son mucho más eficientes a bajas temperaturas. Además, el ratio de descarga afecta al rendimiento de las baterías de plomo ácido. A -20ºC, una batería de litio que entrega una corriente 1C, puede entregar más del 80% de su energía cuando la batería de plomo ácido entregará un 30% de su capacidad. Para ambientes duros (calor o frío), ión-litio es la solución tecnológica adecuada.

8.- Versatilidad en su modo de ubicación:

Las baterías ión-litio no necesitan ser almacenadas verticalmente, o en un compartimento de batería ventilado.

9.- Requisitos de mantenimiento cero:

Las baterías ión-litio tienen un mantenimiento libre en un periodo relativamente largo. Un proceso de “balanceo” para estar seguro que las células en un banco de batería están cargadas por igual lo aporta automáticamente el BMS. Sólo cargue la batería y listo.

ANÁLISIS DEL COSTE DEL IÓN LITIO FRENTE AL PLOMO ÁCIDO

Cogemos el ejemplo de una instalación solar que haga de un edificio independiente (casa auto suficiente). La capacidad de almacenaje de la batería es de 50kWh.

La necesidad de la aplicación se resume en la tabla de abajo:

Los costes de entrega e instalación nos dan una relación de 6:1 para el sistema de litio comparado con el sistema de plomo ácido. Esta relación se basa en el hecho de que el ión-litio tiene una densidad de energía de 3,5 veces la del plomo ácido y un ratio de descarga del 100% comparado con el 50% de las baterías plomo ácido.

Basado en la vida estimada del sistema, la solución basada en la batería de plomo ácido debe ser sustituida 4 veces. La solución basada en ión-litio no se cambia durante la operación (3.000 ciclos se esperan de la batería al 100% de DoD)

El coste por ciclo, medido en €/kWh/ciclo, es la cifra clave para entender el modelo de negocio. Para calcularlo, consideramos la suma del coste de las baterías + transporte y los costes de instalación (multiplicado por el número de veces que la batería se sustituye durante su vida). La suma de estos costes se divide por el consumo neto del sistema (50kWh por ciclo, 365 ciclos por año, 10 años de uso). El resultado está resumido en la tabla de abajo:

La inversión en tecnología de almacenamiento de Ión Litio LiFePO4 es 3 veces más rentable que la inversión en tecnologías convencionales de Plomo Ácido o similares.

La razón tiene que ver con las cualidades intrínsecas de las baterías ión-litio, y es válido para cualquier tipo de aplicación que necesite un ciclo de descarga profundo.