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Plomo-ácido versus iones de litio: decidir cuál es la mejor opción para proyectos solares

Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) son una parte integral del ecosistema de energía solar, que complementa la energía solar mitigando su intermitencia y mejorando tanto la resiliencia como la estabilización de la red.

Tecnologías de baterías recargables como el plomo-ácido y el ion-litio se adoptan ampliamente en el sector solar. Más allá de las diferencias en la composición química, ¿qué otros atributos los distinguen? ¿Y cuál es la mejor opción para su proyecto solar?

Vamos a sumergirnos

Comparación de baterías solares

Descripción general de la tecnología: plomo-ácido frente a iones de litio

Inventado por Gastón Planté en 1859, el plomo-ácido fue la primera batería recargable para uso comercial.

Estas baterías suelen constar de dos placas primarias (electrodos) a base de plomo en una estructura de rejilla. El electrodo positivo está recubierto de dióxido de plomo y el electrodo negativo está hecho de esponja de plomo. Ambas placas están sumergidas en una solución electrolítica de ácido sulfúrico y agua.

Desde su invención, el plomo-ácido se ha perfeccionado constantemente y su versión mejorada, el plomo-ácido regulado por válvula sellada (VRLA), ha sido ampliamente adoptada. Las baterías de gel de plomo-ácido, una variante de la tecnología VRLA, se han convertido en una buena opción para sistemas de energía solar y otras aplicaciones fuera de la red. A diferencia de las baterías de plomo-ácido tradicionales, estas baterías tienen menos probabilidades de sufrir fugas de líquido y requieren menos mantenimiento.

Batería solar de iones de litio

Se puede rastrear la historia de la tecnología de iones de litio de vuelta a los años 1970 cuando MS Whittingham y sus colegas inventaron la primera "pila de litio recargable". 

Hoy en día, el electrodo positivo de una batería de iones de litio está hecho de un óxido metálico o fosfato, mientras que el electrodo negativo suele utilizar óxido de litio y cobalto (LiCoO2) u otros materiales. A diferencia de la tecnología de plomo-ácido, el electrolito de una batería de iones de litio suele consistir en una sal de litio disuelta en disolventes orgánicos, lo que permite que los iones de litio fluyan entre el electrodo positivo y negativo.

Comparación de rendimiento de plomo-ácido frente a iones de litio

La variación en la composición química da como resultado rasgos únicos que afectan el rendimiento de estas baterías en el mundo real. Los criterios principales incluyen densidad de energía, eficiencia de carga, profundidad de descarga, ciclo de vida, tamaño y peso, costo y más.

Densidad de energia

La densidad de energía es la cantidad de energía almacenada en una batería en relación con su tamaño y peso. 

La gravimétrico La densidad de energía de las baterías de plomo-ácido oscila entre 30 y 50 Wh/kg, mientras que la de las baterías de iones de litio es de aproximadamente 150-250 Wh/kg. Es decir, la densidad energética de las baterías de iones de litio es aproximadamente 5 veces mayor que la de las de plomo-ácido, suministrando mucha más energía por unidad de masa.

Eficiencia de carga

La eficiencia de carga se refiere a la cantidad de corriente de carga que se convierte en energía almacenada en la batería. Esta medición es particularmente crucial para el uso de baterías dentro del sector solar debido a la intermitencia de la energía solar, que requiere que la máxima energía se convierta y almacene dentro de horas de funcionamiento limitadas.

Las generaciones anteriores de baterías de plomo-ácido tienen una eficiencia baja de alrededor del 50%. A pesar de décadas de progreso, la eficiencia máxima aún no ha superado constantemente el 85%. Eso se traduce en una gran pérdida de energía durante el proceso de carga.

Por el contrario, las baterías de iones de litio proporcionan una eficiencia de carga de más del 90% y algunos productos equipados con tecnología de punta se acercan a la cifra del 99%.

Monitoreo de la carga de la batería solar

Profundidad de descarga (DoD)

En resumen, DoD es una medida que se refiere a cuánta capacidad se puede drenar de forma segura de la batería en relación con su capacidad cargada total.

La DoD de la mayoría de las baterías de plomo-ácido es sólo de alrededor del 50%. En otras palabras, los usuarios necesitarán recargar la batería después de consumir aproximadamente la mitad de la capacidad cargada; de lo contrario, supondrá un impacto negativo en su vida útil.

Para las baterías de litio, el DoD es del 95% o más, lo que significa que puede utilizar de manera eficiente la energía ingresada y almacenada.

Ciclo de vida

Esta medida es la cantidad de ciclos de carga completos que puede realizar una batería sin una reducción significativa en el rendimiento. Se cuenta un solo ciclo cuando una batería pasa de un estado de carga completa a un estado completamente descargado.

En promedio, una batería de plomo-ácido tiene una vida útil de 300 a 1500 ciclos, lo que puede equivaler a 1 a 3 años de uso. Las baterías de iones de litio son conocidas por su larga vida útil, que proporciona un ciclo de vida de aproximadamente 2,000 a 5,000.

Cost

Otra medida crítica a evaluar entre estas dos baterías es su costo.

Las baterías de plomo-ácido suelen costar entre 75 y 100 dólares por kWh, mientras que las de iones de litio cuestan entre 150 y 300 dólares por kWh.

Algunos pensarán que las baterías de plomo-ácido son una opción ideal para proyectos con presupuestos ajustados. Pero siempre, el costo no debe simplemente contarse. El costo por kWh aquí es el costo inicial de una batería. Debes tener en cuenta otros gastos asociados con el uso de la batería, especialmente en el caso de aplicaciones solares.

Mantenimiento de la batería

Por último, pero no menos importante, también debes considerar los detalles de mantenimiento de estas baterías.

Las baterías de plomo-ácido selladas, el principal tipo de baterías de plomo-ácido adoptadas en proyectos solares, requieren monitoreo de sus ciclos de carga y controles periódicos de la ventilación.

Sin embargo, las baterías de iones de litio requieren mucho menos mantenimiento una vez puestas en funcionamiento. Actualmente, la mayoría de estas baterías están equipadas con un sistema de gestión de baterías (BMS) para garantizar que no se sobrecarguen y funcionen a temperaturas normales.

El tiempo de carga y el peso y tamaño de la batería no se tratan en la discusión anterior. De hecho, se correlacionan con otras mediciones como la densidad de energía, la eficiencia de carga y el Departamento de Defensa.

Resumiendo: ¿Cuál es la mejor opción para proyectos solares?

Después de una rápida revisión de la discusión anterior, encontrará que las baterías de iones de litio se destacan mejor que las de plomo-ácido en la mayoría de los aspectos, excepto en el costo. Espera… para ser más precisos, es el costo INICIAL.

El tiempo de recuperación de la inversión de los proyectos solares

La vida útil de los paneles solares es generalmente de 25 años, y algunos productos premium duran hasta 30 años. En términos generales, la vida útil diseñada de un proyecto solar, ya sea C&I o residencial, puede ser de al menos 10 años, ¿verdad? Dando un paso atrás, algunos magníficos proyectos solares pueden reducir su tiempo de recuperación para alrededor de 5 años. Eso implica que requerirán la presencia de baterías solares por la misma duración.

Una batería de iones de litio de calidad puede durar unos 10 años. Aunque el costo inicial de las baterías de plomo-ácido es bajo, el costo acumulado se acumulará; sin mencionar los gastos asociados en mano de obra y accesorios.

Servicios posventa y cadena de suministro

No estamos hablando de la calidad de los servicios postventa, sino del coste oculto detrás de ellos. 

Un servicio postventa excepcional, como cualquier otro, lleva tiempo. Además del costo del equipo, el reemplazo de baterías de plomo-ácido al final de su vida útil, como parte de la operación de su proyecto, sigue ciertos procedimientos dentro de la organización y consume tiempo para comunicarse y coordinarse.

Para aquellos proyectos ubicados en una región donde aún no se ha establecido una cadena de suministro solar local confiable y el sistema logístico local es inadecuado, es ideal que los operadores opten por productos confiables con una vida útil más larga para mantener un funcionamiento fluido del proyecto.

¿Qué tal el problema de la fuga térmica?

Es posible que descubra que existe un problema de fuga térmica relacionado con las baterías de iones de litio, que es una reacción en cadena generalmente causada por reacciones redox (Feng et al., 2019) y temperaturas ambiente elevadas. 

Después de muchos años de mejoras, la aparición de fugas térmicas en estas baterías se minimiza, lo que se atribuye al uso de materiales y estructuras de batería optimizados, así como a BMS avanzados. 

Estos BMS monitorean y administran varios parámetros de la batería más allá de la carga y la distribución del calor, como el voltaje de la celda, la corriente, el estado de carga y el estado de salud. Ayudan a garantizar que la batería alcance un rendimiento excelente en condiciones controlables y seguras.

Es posible que todavía le preocupe el uso de baterías de iones de litio en regiones con un clima cálido, como muchos países africanos o de Oriente Medio: Nigeria, Egipto, Israel, Arabia Saudita, etc.

Está seguro. En los últimos años, la batería de fosfato de hierro y litio (LiFePO4), un miembro más nuevo dentro de la familia de iones de litio, ha demostrado sus ventajas distintivas.

Estas baterías son conocidas por su excelente seguridad debido a su estabilidad térmica y química, al tiempo que ofrecen un ciclo de vida más largo, estabilidad reforzada en ambientes con altas temperaturas y menor impacto ambiental.

Pueden ser más rentables durante su ciclo de vida, a pesar de un costo inicial más alto que las baterías tradicionales de iones de litio. 

Conclusión

Es evidente que las baterías de iones de litio brindan más beneficios que las baterías de plomo-ácido.

Para proyectos a corto plazo, el plomo-ácido puede potencialmente superar a sus pares por sus precios más bajos. Pero este definitivamente no es el caso de los proyectos solares, que tienen en cuenta la sostenibilidad y el bienestar a largo plazo de las personas.

Recuerde, el costo de por vida es más importante y más práctico que el costo inicial.

La innovación continua en el segmento de las baterías de iones de litio lo está haciendo más competitivo. La reducción constante de los costes de los productos es sin duda uno de los principales temas en el ámbito de trabajo de los investigadores.
Por cierto, si es de menor calidad y/o no se elimina adecuadamente, el elemento plomo en las baterías de plomo-ácido representará un problema grandes riesgos.

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