Las baterías de iones de litio son la perfecta solución para sistemas aislados.
Durante décadas, la tecnología de baterías de ácido - plomo han sido el pilar de los sistemas de energía renovable basados en baterías, proporcionando almacenamiento confiable y amplia capacidad de energía, siendo las más usadas las de ácido de plomo inundado que requieren controlar de forma regular los niveles de electrolitos y ventilación para evitar la acumulación de hidrógeno y gases sulfúricos, Además de que son grandes y pesadas, el reemplazarlas se convierte en una tarea difícil. Con toda la innovación reciente en los vehículos eléctricos e industria de electrónicos personales, las baterías de iones de litio (Li-ion) han ganado mucha atención. Aquí examinamos los pros y contras de la batería de iones de litio, para que descubra por qué la mayoría de los propietarios de sistemas fotovoltaicos aislados no están cambiando sus baterías al menos por el momento.
¿Qué hay detrás de las baterías de Litio?
"Iones de litio" se refiere a una variedad de baterías basadas en litio y otros componentes, cada una tiene sus ventajas y desventajas, aún se siguen desarrollando investigaciones de distintas combinaciones del litio, como por ejemplo litio-aire, pero siguen siendo prematuro poder decidir cual será la solución comercialmente viable para cada aplicación.
Ver el Tabla de "Tecnologías de la batería de litio" para detalles sobre algunos de los más comunes tipos de iones de litio.
Las baterías de iones de litio generalmente las fabrican en tres formatos: bolsa, cilíndrica y prismática (rectangular-cúbica). Los de tipo bolsa tienden a usarse en dispositivos portátiles pequeños, como teléfonos inteligentes y tabletas, o en dispositivos con bajo peso, como los vehículos de control remoto para aficionados. Las formas cilíndricas se prestan para accionar dispositivos portátiles de tamaño medio, como herramientas eléctricas. Las baterías prismáticas son generalmente las más grandes, y se usan típicamente en autos eléctricos, así como en las aplicaciones que anteriormente funcionaban con baterías de plomo-ácido, como sistemas de telecomunicaciones de respaldo o de celdas solares. Las baterías del tipo prismático tienen lados corrugados duros, lo que crea espacios de aire entre celdas adyacentes, para ayudar al enfriamiento.
Estas baterías se pueden encontrar en carros de control remoto y otros equipos, donde el peso es factor. También son usadas para herramientas sin cables de alimentación.
Las baterías de iones de litio tienen una aplicación para el almacenamiento residencial, el mejor ejemplo es el hierro de litio prismático de gran formato, es decir la batería de litio-fierro-fosfato (LiFePO4; LFP).
Ventajas de las baterías de litio
1. Peso. Comparando el peso versus el almacenamiento de energía disponible, una batería LFP es aproximadamente un tercio del peso de una batería de ácido de plomo (AP). Esta es una gran ventaja para las aplicaciones móviles, como barcos / vehículos recreativos, pero para aplicaciones estacionarias, el peso generalmente es una consideración solo durante el cambio de batería.
2. Espacio. Aproximadamente la mitad del volumen de una batería ácido plomo con equivalente al almacenamiento de energía, las baterías de Litio-fosfato ocupan mucho menos espacio, pero como ya se dijo, esta ventaja aplica en soluciones móviles.
3. Capacidad a bajas temperaturas. La capacidad de almacenamiento de las baterías de ácido plomo cae en un 50% a -4 ° F, en comparación con el 8% con una LFP; por lo que mantener una buena temperatura de las baterías de plomo-ácido en climas fríos, puede ser un desafío, por lo que las baterías LFP tienen una ventaja. Sin embargo, las baterías LFP generalmente deberían ser cargado a un ritmo más lento cuando hace frío, generalmente no más de a C / 10 a temperaturas ambiente por debajo de 32 ° F. (Por ejemplo, si tiene una batería de 200 Ah, una tasa de carga C / 10 será de 20 A.).
4. Voltaje de descarga e impedancia. El voltaje de descarga de baterías AP disminuye significativamente a medida que disminuye el estado de carga, mientras que el voltaje de las baterías LFP se mantiene bastante estable hasta que están cerca de ser descargadas por completo. Las LFP tienen aproximadamente un cuarto la resistencia interna (impedancia) de las baterías AP, lo que reduce la energía de la batería perdida por el calor. Ambos factores combinados mejoran la eficiencia del sistema y evita caídas de tensión que pueden afectar a los equipos sensibles a la tensión.
5. Corriente de carga y descarga. Los baterías LFP se pueden cargar de forma segura y descargarse a una corriente más alta que las baterías AP. Pero la relativamente baja corriente en aplicaciones residenciales nos permite entender que este aspecto no es muy útil.
6. Autodescarga. A temperatura ambiente, inactivo (almacenado o desconectado) las baterías AP pierden del 5% al 15% de su electricidad capacidad por mes, en comparación con 1% a 3% para las tipo LFP. En aplicaciones residenciales donde la energía se usa solo ocasionalmente (como embarcaciones de recreo, vehículos recreativos o cabañas de vacaciones), o durante períodos de consumo bajo, esto puede ser un atributo útil.
7. Mantenimiento. Las baterías AP húmedas si no se les aplica el adecuado mantenimiento, acortan considerablemente su periodo de vida, pero también existen las selladas de AP, las cuales son libres de dicho mantenimiento, al igual que las de LFP, por lo que, en mantenimiento, si se trata de las baterías selladas, no hay diferencia alguna.
Línea del tiempo de las baterías de Litio.
Aunque la investigación en estas baterías empezó en los 70s, la comercialización no comenzó sino hasta los 90s, tomó una docena de años para desarrollar su fabricación de forma estable y útil.
8. Vida útil. Mientras que la longevidad puede variar ampliamente dependiendo de distintos factores como la profundidad diaria de descarga y el tipo de batería AP
(marina, carrito de golf, AGM, industrial, etc.), usadas regularmente y con adecuado mantenimiento, estas baterías pueden tener 5 años de vida en promedio.
Las baterías LFP tienen una longevidad estimada de 10 años, es decir el doble que las de AP. En ambos casos, el envejecimiento natural de la batería puede verse afectado y dañar las baterías antes de usar su ciclo de vida si se cargan y descargan con poca frecuencia. Cuando el fin de la vida útil de la batería ha llegado, ambos tipos pueden y deben reciclarse devolviéndolas a un distribuidor, aunque debido a la larga historia de las baterías AP, hay actualmente más recicladores para AP que LFP.
9. Costo. Aunque las baterías LA son más baratas por adelantado que las LFP, su precio de por vida por kWh puede ser mayor. Esto supone que puede usar la mayor parte de la capacidad de por vida (capacidad útil multiplicado por la vida útil del ciclo) antes de que la batería falle debido a la antigüedad. Con una vida de 3.000 ciclos o 10 años (lo que ocurra primero), uno necesitaría reciclar las baterías LFP casi a diario para optimizar el retorno de la inversión. (Nota: la duración de la batería generalmente se considera cuando la batería puede mantener solo del 70% al 80% de su capacidad original.).
Consideraciones de seguridad en el Litio.
Cualquier tecnología de almacenamiento de energía puede ser peligrosa si la energía entra o sale demasiado rápido, por ejemplo si son cargadas demasiado rápido, las baterías AP puede calentarse y dañarse e incluso explotar.
Del mismo modo una batería que es descargada demasiado rápido (como un cortocircuito), puede incendiarse. La tecnología de litio, al igual que otras baterías, se basa en una reacción química para almacenar energía. Dos los incidentes fueron ampliamente publicitados: impurezas combinadas con baterías de litio a base de óxido fomentado térmicamente fuera de control, haciendo que las computadoras portátiles se sobrecalienten y se generen fuego; y el incendio Chevy Volt 2011, en el que el refrigerante del sistema de batería goteó sobre las baterías rotas en un auto volcado de chatarra y provocó un incendio.
(General Motors tiene rediseñado el sistema de batería para reducir la probabilidad de otro incidente) De todas las químicas de iones de litio, fosfato de hierro y litio (LiFePO4 o LFP) ofrece la química más estable y es considerado muy seguro. Por esta razón, LFP se usa para la mayoría baterías de iones de litio de gran capacidad, y es el tipo de baterías más utilizado en vehículos eléctricos y sistemas de energía de telecomunicaciones.
Sistema de gestión de las baterías.
La mayor desventaja de cualquier batería de iones de litio es que necesita un sistema de gestión de batería (BMS). El trabajo de un BMS es monitorear el voltaje y la temperatura de cada celda individual y proteger de la carga y descarga excesiva. Mientras cualquier sistema de batería, ya sea AP o LFP, se puede mejorar con un BMS, no es estrictamente necesario para las baterías de AP.
Como regla general, un banco de respaldo de energía de cualquier tipo debe ser hecho con baterías del mismo lote, es decir con las mismas especificaciones, fabricante, marca y fecha de fabricación para que puedan todas trabajar a un mismo ritmo de carga y descarga, además de que se debe llevar su proceso de igualación periódica, sin embargo aun cumpliendo estas condiciones, algunas baterías pueden tener distinto desempeño, por lo que toma mucha importancia el calor agregado que da un BMS y un continuo proceso de igualación. La razón de este requerimiento es que, si algunas baterías se cargan antes que otras, pueden generarse voltajes mas altos e incluso peligrosos, mientras que otras baterías están aun en proceso de carga dentro del mismo banco.
Es una tarjeta de balance de un BMS, montado a un conjunto de 4 celdas de baterías LA. Es una solución típica de un banco de baterías para autos eléctricos-
Mientras que las baterías AP toleran breves períodos de sobre tensión (de hecho, llevar periódicamente el voltaje de carga a su límite para realizar su proceso de igualación es lo más recomendado) Tan solo unos minutos a voltaje elevado puede dañar una celda LFP. Un BMS protege las células individuales contra sobre tensiones mediante derivaciones de corriente alrededor de las celdas llenas cuando alcanzan su voltaje máximo recomendado.
Esto permite que se sigan cargando las baterías que aun no se llenan y un buen BMS puede detectar cuando una batería se está calentando de más y desconecta la carga para proteger al banco; este mismo BMS puede ayudar durante la descarga con la señalización para desconexión de carga cuando las celdas individuales caen por debajo su voltaje mínimo. Las baterías descargadas profundamente pueden ser dañadas permanentemente o, como mínimo, tener su capacidad o ciclo de vida permanentemente reducido.
Cuando se tiene disponible un sistema de gestión BMS, entonces las baterías LFP pueden ser útiles en los sistemas residenciales si:
La profundidad del ciclo suele ser superior al 30% de la capacidad. De lo contrario, las baterías LA son una opción más rentable.
El espacio disponible para las baterías es escaso. Los LFP pueden ahorrar aproximadamente el 50% del espacio en comparación con LA por la misma capacidad utilizable (Estos factores pueden ser muy importantes para aplicaciones de vehículos móviles y botes.).
El lugar donde se utilizan es complicado el mantenimiento (Sitios de difícil acceso o usuarios que no pueden realizar el trabajo). Con dos veces mayor la vida útil de las baterías de Litio que las de AP, esto significa mayor tiempo de reemplazo.
El lugar donde se utilizan requiere de ciclos de carga y descarga muy frecuentes las baterías LFP ofrecen estas ventajas y además a una mayor profundidad de descarga. Los sistemas fotovoltaicos aislados encajan perfecto en estas soluciones.
En resumen las baterías de Litio pueden definitivamente ser una solución para sistemas fotovoltaicos residenciales que requieren almacenamiento de energía, pero una mejor pregunta sería: ¿Está la economía y la industria de los sistemas fotovoltaicos listos para soluciones de baterías LFP?.
Parece que si, ya el desarrollo de esta tecnología de almacenamiento con litio en conjunto con los controladores de carga y los inversores se ha incrementado, que incluso soluciones de sistemas interconectados híbridas comienzan a verse en el mercado.