Comparativa de baterías de Litio vs plomo ácido

Comparativa de baterías de Litio vs plomo ácido

Este artículo pretende comparar las principales características de las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía, centrándonos en baterías de plomo ácido (gel) y baterías de litio (en este caso, fosfato de hierro o LiFePO4).
Si bien es cierto que el precio por kWh (unidad de energía) es más bajo en las baterías de plomo que en las baterías de litio, trataremos de entender por qué no podemos comparar directamente estos precios.

Pongamos un ejemplo: se requiere una batería de 50kWh (útil) para una carretilla o un AGV.

Factores a tener en cuenta:
– Capacidad: se mide en Amperios-Hora (Ah). Multiplicado por el voltaje nos da la energía almacenable en la batería (V)·(Ah)=(Wh).
Una batería de 100Ah, a 10A se descargaría en 10 horas (0,1C), o a 100A en una hora (1C).
– Profundidad de descarga: es el porcentaje de energía que descargamos respecto la capacidad total de una batería. A mayor profundidad de descarga, menos ciclos de carga podremos hacer a una batería.
– Ciclos de carga: es el número de veces que podremos descargar y cargar el 100% de su capacidad.
Tras alcanzar este número de ciclos, la capacidad útil de la batería se reduce al 80%-75%.

Es difícil comparar directamente puesto que los datos de ciclos de carga en baterías de plomo ácido se suelen dar para una descarga en 10horas (0,1C) mientras que en baterías de litio para una descarga de 1C.
Ambos conceptos están relacionados: a una profundidad de descarga mayor, menos ciclos podremos hacer a la batería. Además, también influye la temperatura (especialmente en las baterías de plomo), las corrientes de carga y descarga… Las siguientes figuras ilustran estos “trade-offs”:

                      Figura 1 (plomo-gel)                                                                                                          Figura 2 (litio):

Figura 1: Ciclos de carga en función del porcentaje de descarga y de la temperatura, de una batería de plomo ácido.

Figura 2: Ciclos de carga en una batería de litio en función del porcentaje de descarga y de la corriente de descarga.

Depende de la tecnología, pero podemos hablar de unos 2000 ciclos (en el mejor de los casos) para una batería de alta calidad de plomo, al 50% de descarga, vs 4000 ciclos de una de litio, al 80% de descarga.
En general estas estimaciones son pesimistas para la opción de litio, puesto que de normal se estima entre 4 y 5 veces más ciclos que respecto la opción de plomo.
A 1 ciclo al día, en plomo estaríamos hablando de una duración de 5,5 años vs 11 años en litio.
Es decir, a los 5 años y medio la batería de plomo estaría al 80% de su capacidad total, y habría que cambiarla por otra igual, mientras que la batería de litio aún podría durar otros 5,5 años para llegar al 80% de su capacidad inicial.
Dado que la profundidad de descarga en las baterías de litio (~80%) es mayor que en las de plomo (~50%), necesitaremos una batería de 100kWh en plomo vs 62,5kWh en litio.
Con una tensión de funcionamiento de 80V, necesitaríamos 1250Ah (Pb) y 781,25Ah (Li).
A un precio de 180€/kWh en plomo y 470€/kWh en litio, el coste sería:
Año 0: Plomo (Pb)= 18.000€, litio (Li)= 29.250€
A los 5,5 años tendríamos que comprar otra batería de plomo.
Año 5: Plomo= 18.000€, litio= 0€
Coste total acumulado= 36.000€ (Pb) vs 29.250€ (Li).
Además, hay otros factores a tener en cuenta:

–Eficiencia carga y descarga (coste de carga):
Las baterías de litio tienen una resistencia interna muy baja en comparación con las baterías de plomo. Hablamos de unas eficiencias en litio de ~95%, vs un ~75-80% en plomo.
Energía total descargada =200.000kWh
Pérdidas energéticas carga/descarga 40.000kWh (Pb) vs 10.000kWh (Li)
A 11 c/kWh: Coste total acumulado= 40.400€ (Pb) vs 30.350€ (Li).

–Corriente de carga y descarga:
Las baterías de litio permiten carga rápida (hasta 3C, pudiendo cargar en menos de 1 hora), mientras que las baterías de plomo requieren tiempos largos de carga (8-10 horas). Además, las baterías de litio son ideales para aplicaciones de potencia, donde se requiera una alta corriente de descarga.

–Temperaturas de funcionamiento:
Las baterías de plomo tienen un rango óptimo de funcionamiento muy reducido, de entre 10 y 30ºC, vs 0-45ºC en litio.

                      Figura 3                                                     Figura 4

–Peso y Volumen:
Las baterías de plomo son las menos eficientes en términos de densidad energética por kg y por volumen (ver Figura 3).
Para el caso de estudio, la batería de plomo sería unos 2500Kg, vs 400Kg en litio (unas 6 veces más pesado).
Otros costes a tener en cuenta son los costes de transporte. Las baterías de plomo pesarían unas 6 veces más, y habría que cambiarla más a menudo.

–Autodescarga:
Las baterías de plomo tienen una autodescarga muy elevada en comparación con las baterías de litio. Por ejemplo, durante 1 año, a 30ºC, la batería de plomo se descargaría más de un 100% vs <4% en litio.

                                  Figura 5                                                                                                           Figura 6

–Otras ventajas:
No requieren mantenimiento, no tienen efecto memoria, pueden cargarse en cualquier momento independientemente de su estado de carga (SOC).

–Posibles inconvenientes:
Requieren un desembolso inicial mayor, y debido a las reacciones químicas en los electrolitos es muy importante que cuenten con un sistema de monitorización (BMS) que confirme que las temperaturas y voltajes están dentro del rango esperado, dotando de seguridad al sistema. En caso de que se detectara alguna anomalía, el sistema debería ser capaz de abrir el circuito aislando a la batería de las cargas por seguridad.

Conclusión:

Las baterías de litio a día de hoy son una solución más eficiente que las baterías de plomo para la mayoría de aplicaciones. Duran más, pesan menos, ocupan menos, permiten corrientes de descarga mayores, tienen una tensión de funcionamiento durante su descarga más constante, y al final del proyecto el coste total acaba siendo menor.

Desde Contaval distribuimos las baterías de la marca MG Energy Systems, fabricante holandés de baterías de litio de todo tipo (NMC, LiFePO4, cilíndricas, prisámticas, tipo pouch) y tamaño: desde baterías de 12V y 210Ah, hasta baterías tan grandes como hiciera falta (800V,modulables en serie y en paralelo).
Nuestras baterías cuentan con doble sistema de seguridad: un BMS esclavo en cada batería, y uno maestro que permite interconectar las baterías:

Figura 6. Sistemas de seguridad del BMS maestro de MG

Comparativa de ciclos Plomo (AGM) vs Litio:

Figura 7

Figura 8

Principales productos: