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Rentabilidad y funcionalidad de las baterías de Litio frente a otros tipos de baterías

Durante los últimos años, las baterías ión-Litio han ido ganando terreno en todos los mercados. Para aquéllos no iniciados, es fácil descartar las baterías ión-Litio como una alternativa cara a las tecnologías más comunes de baterías, las de plomo ácido, sólo atendiendo a la carga amperio/hora (AH). Sin embargo, esta conclusión adolece de falta de profundización, y probablemente derive en una conclusión errónea.  Si uno profundiza, se hace patente que hay otros criterios a considerar más que las cargas Ah a la hora de elegir la mejor batería, tanto por consideraciones técnicas como económicas.

Antes de comenzar, mencionemos los tres tipos de baterías de plomo ácido más comunes que consideraremos:

  • VRLA (batería de ácido-plomo regulada por válvula, batería sellada o también conocida como ‘monoblock’) del tipo AGM (separador de vidrio absorbente),
  • GEL
  • Por elementos

La elección, especialmente cuando se requieren mayores cargas, a menudo se reduce a ión Litio vs AGM. En las comparativas mostradas más abajo, donde se muestran baterías de gel, éstas tienen una menor eficacia en altas corrientes de descarga. Cuestan más o menos lo mismo que las AGM, asumiendo que ambos tipos son monoblock. En esta comparación no se han tenido en cuenta las baterías de plomo / ácido (FLA), principalmente debido a las consideraciones de mantenimiento y seguridad.

Energía utilizable o coste

En general, se acepta la afirmación de que la profundidad de descarga (DOD) de una batería AGM es del 50%. Para las de Litio-Hierro-Fosfato (LiFePO4), que es el tipo de batería ión-Litio más segura entre las comunes, se utiliza un DOD del 80%.

¿Qué significa esto en el mundo real? Tomemos dos ejemplos de baterías de 24V y comparemos la energía utilizable:

 1 x Litio-ion 24 V 180 Ah à La tensión nominal de la célula LFP es de 3.3. V. Esta batería LFP de 26.4 V está compuesta de 8 celdas conectadas en serie con una carga de 180 Ah. La energía disponible es de 26.4 x 180 = 4.75 Kw. La energía utilizable es de 26.4x180x0.8 = 3.8 kWh.

 2 x AGM 12 V 220 Ah à La tensión nominal de la célula de ácido plomo es de 2.0 V/célula. Cada batería monoblock de 12 V está compuesta por 6 células conectadas en serie con una carga de 220 Ah. Si conectamos 2 baterías 12 V 220 A para proporcionar 24 V y una carga de 220 Ah, la energía disponible es de 24.0 x 20 = 5,28kWh. La energía utilizable es de 24x220x0.50 = 2.64kWh.

Esto plantea la pregunta de cuál debería ser la carga Ah de las baterías AGM equivalentes para producir 3.8 kWh de energía utilizable como lo hace la batería ion-Lition. Para producir 3.8 kWh de energía utilizable de una batería AGM en primer lugar ésta debería tener el doble de tamaño debido a la regla del 50% de DOD, i.e. 3.8 x 2 = 7.6 kWh. Con 24 V esto significaría 7600/24 que nos da una capacidad de la batería de 316.66 Ah, que se acera al doble de la capacidad nominal de la batería ion Li de 24 v 180 Ah. Tenga en cuenta que este cálculo no está considerando el envejecimiento de las baterías, el descenso de potencia por temperatura o el efecto de cargas mayores. Para las baterías AGM, mayores cargas producen mayores efectos que en las baterías de Litio, efecto en la capacidad de descarga y en el voltaje de diferentes cargas. Basándonos en todo esto, es razonable afirmar que una batería AGM necesitará el doble de carga Ah que una de Litio.

¿Y respecto al precio? Una batería AGM 12V 220 Ah ronda los 470 euros, lo que significa 2.136 €/ Ah. Para 316.66 Ah, eso equivale a 676.50 euros a 12 V o 1353 euros a 24 V.

Una batería de litio 24V 180 Ah ronda los € 4,704 para la misma cantidad de energía utilizable y es por tanto 4,704/1,353  = 3.48 veces más cara cuando comparamos las cargas Ah.

Si nos basamos en esto, podríamos concluir inmediatamente que la batería de Litio no es rentable, sin embargo la comparación de energía utilizable frente a precio es sólo parte de la historia, y está carente de un análisis adecuadamente riguroso que hará que, probablemente, el plomo ácido acabe resultando más caro que el ión litio.

De mano, y en base a lo mencionado, con el factor dos derivado de que la capacidad útil necesaria en una batería de plomo ácido respecto a una de Litio es del doble, y con el factor dos derivado de que en una batería de plomo ácido será necesario el doble de carga Ah para mitigar los efectos en la capacidad y voltaje de descarga, tendremos que la batería de ion litio es 3,48/4 veces = 0,96 veces más barata que la batería de plomo ácido. Pero aún más factores, y de enorme relevancia, que redundarán aún más en esta diferencia a favor del litio.

Peso

La mayoría de cargas Ah de las baterías, con independencia del tipo, están especificadas para 20 horas. Esto estaba bien en los tiempos de las cargas ligeras, pero debido a que el número de cargas y el tamaño de las cargas han ido aumentando, es necesario también analizar las cargas altas a corto, medio y largo plazo para diferentes tipos de equipamiento. Esto puede significar un gran bloque de baterías. Dos situaciones extremas: podríamos tener un equipo de aire acondicionado funcionando durante 10 horas y utilizando 10 kW frente a la utilización de iluminación LED utilizando 100 W durante el mismo período. Es clave balancear estos diferentes requisitos y todas las cargas implicadas. Con un gran boque de baterías como el de abajo para conseguirlo, parece claro lo pesadas que son las baterías de plomo ácido en comparación a las de Litio: 1360/336 = 4 veces más pesadas.

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Energía utilizable: efectos en la capacidad de descarga y el voltaje con diferentes cargas

Como se ha comentado anteriormente, la mayoría de las cargas Ah de las baterías hacen referencia a tiempos de descarga de 20 horas. En la imagen inferior para la batería de ácido de plomo, si se tratase de una batería de 100 Ah con un ratio de descarga de 20 horas, puedes ver que 0.05c significa 100 x 0.05= 5 Amps por 20 horas =100 Ah disponibles hasta que la batería está totalmente descargada. En tanto usamos sólo el 50% de la batería, podemos ver que el voltaje se mantendrá en 24 V al 50% DOD para una carga de 5 Amp durante 10 horas, y por tanto, habrá consumido 50 Ah.

El incremento del consumo de corriente (como muestran los gráficos inferiores) puede afectar a la energía utilizable disponible y al voltaje de la batería. Esta disminución efectiva en la potencia se conoce como el efecto Peukert. Con una batería de ácido de plomo, cuanto mayor sea la carga o intensidad de consumo, mayor será la necesidad de incrementar la capacidad Ah de la batería para mitigar dicho efecto. Con las baterías de Litio, sin embargo, una carga incluso 10 veces mayor a 0.5C puede aún proporcionar un voltaje final de 24 V al 80% DOD (o 20% SOC), sin necesidad de incrementar la capacidad Ah de la batería. Esto es lo que hace que las baterías de Litio sean especialmente adecuadas para altas cargas.

Nota: en los gráficos inferiores, se muestra la capacidad de descarga vs el voltaje. Normalmente para baterías AGM las gráficas se representan en términos de tiempo de descarga vs voltaje. La razón por la que se ha incluido en nuestros gráficos la capacidad de descarga (en lugar del tiempo de descarga) es que las baterías de litio tienen un voltaje final mayor y más estable que las AGM, por lo que dibujar los gráficos con la capacidad de descarga en mente proporciona una comparación más adecuada de las químicas, mostrando que el Litio incrementa la energía utilizable a mayores cargas debido a voltajes mayores y más estables.

Litio – Capacidad de Descarga (%) vs Voltaje (V)

Plomo ácido – Capacidad de Descarga (%) vs Voltaje (V)

Energía Útil (Plomo ácido)

Energía Útil (Litio)

Eficiencia de Carga

Mucho de lo que hemos visto en el proceso de descarga es aplicable también en el proceso opuesto de carga. Lo analizaremos para unos tamaños concretos de generadores, pero las soluciones son escalables en esencia. En primer lugar, comparemos la eficiencia de carga de ácido plomo, a la izquierda, con el Litio, a la derecha, durante un ciclo completo de carga. La carga del último 20% de una batería de ácido plomo es siempre lenta e ineficiente si la comparamos con una de Litio. Esto se confirma por los costes de combustible (o el recurso de carga utilizado) en las imágenes inferiores. Obsérvese también la diferencia en los tiempos de carga.

Nota: tasa de carga

La tasa de carga recomendada para baterías AGM de gran tamaño es de 0.2C, es decir, 120 A para una batería de 600 A compuesta de bloques 200 Ah en paralelo. Tasas de carga mayores calentarían la batería (en estos casos, son absolutamente necesarios sistemas de compensación de temperatura, sensores de voltaje y buena ventilación para evitar el sobrecalentamiento), y, debido a la resistencia interna, se alcanzará el voltaje de absorción cuando la batería esté cargada sólo al 60% aproximadamente, resultando en la necesidad de un mayor tiempo de absorción para cargar completamente la batería.

Por tanto, una tasa de carga alta no reducirá sustancialmente el tiempo de carga de la batería de ácido plomo.

En comparación, una batería de Litio de 200 Ah puede cargarse con hasta 500A, sin embargo, la tasa de carga recomendada para un ciclo de vida máximo es de 100 A (0.5C) o menos. De nuevo, esto demuestra que en ambos casos, carga y descarga, el Litio es superior.

Opciones de batería, mercados y ciclo de vida

En función de cómo trates a tu batería, puedes esperar razonablemente los ciclos de vida de abajo, sujetos a que tanto el DOD como los bancos de batería estén dimensionados a las cargas. La temperatura a la que operan también entra en juego. Cuanto más caliente esté la batería, menor tiempo durará. La capacidad de la batería también se reduce con la temperatura ambiente. La línea base para las variaciones debido a temperatura es de 25 grados centígrados.

Conclusiones

Sin duda será necesario cambiar las baterías de Plomo ácido más frecuentemente que las de Litio, lo que supone tiempo, costes de instalación y transporte, y por tanto abunda aún más en las diferencias de coste a favor del Litio frente al Plomo ácido.

Adicionalmente, aspectos como el [calendar life] y el hecho relacionado de que las baterías de Plomo ácido sí sufren de ‘muerte súbita’ y las de Litio no, habrá que tenerlo en cuenta, nuevamente a favor del Litio.

Más allá del coste inicial del Litio, encontrarás que la vida es más fácil y que la elección es más rentable con el paso del tiempo, además de poder enfrentar aplicaciones con el Litio que con el Plomo ácido no puedes ni debes abordar.

En conclusión, ya es el momento de considerar el Litio como una solución rentable, fiable, versátil y de alto rendimiento.

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