En esta entrada vamos a exponer de manera genérica una serie de diferencias fundamentales entre las baterías de plomo y las baterías de iones de litio, desde el punto de vista de la propulsión de pequeñas embarcaciones.
Como complemento de este artículo conviene recordar lo que ya se comentó en entradas anteriores de este blog en los que se explicaban las principales características de las baterías de plomo.
PROFUNDIDAD DE LAS DESCARGAS (DoD, deep of discharge)
Un dato fundamental cuando se habla de ciclos de vida de una batería es la profundidad de la descarga (SoC, state of charge en inglés) a la que se somete la batería. Esto es común a todos los tipos de baterías: cuanto más se descargue en cada uso, menos ciclos durará.
En este sentido, las baterías que salen más perjudicadas en la comparación son las de plomo de tipo sellado (AGM o Gel por ejemplo), ya que los 600-800 ciclos de vida útil son para profundidades de descarga que no superen el 50% de la capacidad total. Es decir, que si queremos que estas baterías duren lo que sugiere el fabricante sólo podremos utilizar la mitad de su capacidad.
Las baterías de electrolito líquido admiten descargas periódicas de hasta un 80%. Y las baterías de litio suelen admitir descargas habituales de hasta un 90% sin que se reduzca drásticamente su vida útil.
Se entiende como ciclo cada proceso de descarga y carga de la batería, de manera regular, en el transcurso de su operación cotidiana. Se comparan en esta gráfica los ciclos de vida teóricos estimados por los fabricantes para una batería de plomo de tipo AGM y una batería de iones de litio de tipo LiFePO4.
CAPACIDAD REAL DE LAS BATERÍAS
Otro factor muy importante para el día a día (aparte de la profundidad de la descarga a la que podemos someter a nuestra batería) es la capacidad real que ésta nos entrega. En las baterías de plomo, debido al efecto de Peukert, la capacidad real, efectiva, de la batería depende a la inversa de la corriente de descarga. Por eso la capacidad nominal en baterías de plomo se indica con un subíndice C20, o C100, que significa la capacidad energética que nos entrega la batería si la descargamos durante 20 horas, o 100 horas, respectivamente.
Supongamos que tenemos una batería de C20 de 100Ah, esto quiere decir que si la descargamos durante 20 horas sí que nos va a entregar los 100Ah que pone en su etiqueta, lo que significa una corriente de descarga de 5A. Si la descargamos con una corriente de 20 A, la batería nos va a entregar algo más del 80% de su capacidad nominal, pero no mucho más.
Estas curvas representan la capacidad real en % con respecto a su capacidad nominal C20 de baterías de plomo de la marca VICTRON, de tipo AGM supercycle y GEL deep cycle. Es decir, que con estas curvas podemos conocer cuántos Ah es capaz de entregar la batería en función de la corriente de descarga de nuestra aplicación. Por ejemplo, si nuestro barco consume 40 A a la velocidad de crucero (como en el caso de la Xouva 4.90), la capacidad real de la batería AGM será del 85% de la nominal, mientras que la batería de GEL solo nos ofrecerá el 78% de su capacidad nominal. Si ambas baterías son de 230Ah, las capacidades reales serán de 195.5A 179.4A respectivamente.
Esto no sucede con las baterías de litio, la capacidad real que entregan es prácticamente la nominal, con independencia de la corriente de descarga. Eso sí, hay que respetar la corriente máxima que es capaz de soportar la batería, dato proporcionado por el fabricante que hay que tener en cuenta a la hora de dimensionar la instalación. Pero no es nada extraño que se acepten corrientes de 1C, es decir, de los mismos amperios como indica su capacidad. O sea, que una batería de 100Ah se podría descargar durante prácticamente una hora con una corriente de 100 A. Esto es algo totalmente impensable con baterías de plomo.
POTENCIA DE DESCARGA – TENSIÓN DE DESCARGA
Una de las principales ventajas de las baterías de litio es que son capaces de mantener su tensión nominal de manera casi constante durante todo el proceso de descarga, con independencia de la corriente de descarga. Es decir, mantienen la misma potencia durante su utilización.
Las baterías de plomo, por el contrario, sufren una caída de potencial cuando se ponen a trabajar, que es mayor cuanto mayor sea la corriente a la que están sometidas, y también es mayor conforme avanza el proceso de descarga, es decir, cuanto más descargadas estén menor será su tensión. Esto implica que la potencia que van entregando es cada vez menor, hasta que llega un momento en que el aparato que estamos utilizando deja de funcionar.
EFICIENCIA DE CARGA, VELOCIDAD DE CARGA
Debido a la composición química de las baterías de plomo, la energía aportada durante la recarga siempre es mayor que la energía consumida durante la descarga. Según datos obtenidos de la monitorización remota de las embarcaciones XOUVA, en un banco de baterías de tipo AGM este exceso de energía necesario para la carga representa hasta un 120% con respecto a la energía descargada.
Además, el régimen de carga de las baterías de plomo es muy lento ya que como máximo se debe aportar una corriente de carga del 20% de la capacidad nominal. Es decir, que una batería de 100Ah se debe cargar como mucho con una corriente de 20A. Esta es la corriente de carga inicial, en la que se aporta hasta el 80% de la carga de la batería. En la fase de absorción se aporta el 20% restante, y como se vio en otra entrada de este blog, durante esta fase la corriente va disminuyendo progresivamente mientras que la tensión se mantiene constante. Y, según podemos comprobar por las curvas de carga reales de las embarcaciones Xouva, la fase de absorción suele durar unas 8 horas.
En este gráfico, obtenido de datos reales de 2 embarcaciones XOUVA 4.90, se pueden comparar los procesos de carga de bancos de baterías de plomo AGM y de litio LiFePO4 de capacidades muy similares y con cargadores entregando la misma potencia de carga. Podemos ver que en el caso de baterías de plomo se necesitan 13.5 horas, mientras que las baterías de litio se cargan en 7.5 horas. Hay que tener en cuenta que se obtuvieron estos tiempos porque se utilizó el mismo cargador para ambos tipos de baterías. Pero las baterías de tipo LiFePO4 admiten cargas con mayor intensidad, por lo que el tiempo de recarga se podría reducir hasta la mitad.
INSTALACIÓN, PESO Y TAMAÑO
Las baterías de litio son mucho más ligeras y compactas que las de plomo.
En cuanto al peso, las soluciones con litio pueden llegar a ser entre 3 y 8 veces más ligeras que las de plomo, dependiendo del tipo de estas últimas, y eso sin tener en cuenta que de una batería de plomo nunca vamos a poder extraer toda su energía almacenada.
Las baterías de litio pueden instalarse en cualquier ubicación y, en la mayoría de los casos, en cualquier posición, lo cual es una ventaja considerable a la hora de diseñar vehículos eléctricos. Además, no necesitan ventilación.
Las baterías de plomo tienen una posición concreta y, con la excepción de las baterías selladas (tan apropiadas por este hecho en la náutica), necesitan estar ubicadas en un lugar bien ventilado y pueden sufrir derrames de electrolito si se someten a movimientos angulares bruscos.
De hecho, las baterías de electrolito líquido han de rellenarse con agua destilada de vez en cuando, porque ésta se evapora con la sucesión de recargas. Este mantenimiento periódico, aunque pueda ser rutinario, no deja de resultar una complicación añadida durante toda la vida útil de este tipo de baterías.