Litio Vs. Piombo per gli amanti dei numeri

[maema]

In questi giorni ho giusto fra le mani due barche simili con ioni di Litio 800A/h 24V la prima e piombo(GEL) 1060A/h 24V. per i servizi.
Entrambe a 6 anni dall'installazione, leggo questi valori che vi giro in pausa pranzo:
dal Monitor batterie---------Litio-------Piombo
Amp/h scaricati------------73829------62162
Energia scar. KW/h---------2072--------1701
Energia caric. Kw/h---------2076-------1986
Rendimento %---------------99%-------85%
Test di scarica--------------- 91%*------34% (capacità rilevata/capacità nominale)
Le due barche hanno consumi pressoché simili (240 e 270 A/h al giorno).
(*) Il test sulle litio è stato effettuato fermandosi al valore di tensione raccomandato dal produttore +0.2Volt, mentre sul Piombo ci siamo fermati a 21Volt con corrente di scarica di 1/20 la capacità nominale con t=28/31°C
La barca con il litio è più utilizzata, consuma circa 30A/h al giorno in meno ed ha un generatore da 10KVA contro il generatore da 12KVA dell'altra... la barca con il piombo nello stesso periodo ha fatto oltre 400ore in più di generatore pur essendo utilizzata meno giorni durante l'anno.

[bludiprua]

Test molto interessante!!
Grazie

[AndreaB72]

Interessante. La prova di scarica è un po' difficile da confrontare, ma sempre utile.
Assumendo che la capacità originale fosse il 100% significa che le LFP (suppongo siano LFP, non LiION) hanno perso circa il 9% in 6 anni.
Se il decadimento fosse lineare, sarebbe da ipotizzare una durata prevista di ~15 anni per scendere significativamente sotto l'80% residuo.

Sarebbe interessante vedere se le celle interne si sono sbilanciate nel tempo - in questo caso la capacità residua reale sarebbe superiore.
Sarebbe anche utile sapere il voltaggio di absorption (e la durata dell'absorption) dei dispositivi di carica del litio. Ci sono studi che legano il decadimento alla "pressione" degli ioni sul reticolo carbonioso delle piastre, quindi al voltaggio massimo.
In pratica caricare a 3.5V (o meglio 3.45V) per cella carica lo stesso al 100% o quasi ma allunga significativamente la vita delle batterie - non che sia un problema, 15 anni di vita entro l'80% di residuo sono un bel traguardo in ogni caso.
Ovviamente i produttori di solito raccomandano i valori che massimizzano la prestazione piuttosto che la longevità...

[unsoldino]

veramente molto interessante, grazie. Quindi sommando il rendimento migliore (+14% assoluto) alla minore capacità installata si avrebbe un vantaggio del 45% circa, al quale sommare quello della maggior durata, per il setup con il LiFeSO4. La barca elettrica, con celle a combustibile per accompagnare i pannelli solari, diventa sempre più vicina.

[maema]

(29-08-2022 14:48)AndreaB72 Ha scritto:  Interessante. La prova di scarica è un po' difficile da confrontare, ma sempre utile.
Assumendo che la capacità originale fosse il 100% significa che le LFP (suppongo siano LFP, non LiION) hanno perso circa il 9% in 6 anni.
Se il decadimento fosse lineare, sarebbe da ipotizzare una durata prevista di ~15 anni per scendere significativamente sotto l'80% residuo.

Sono Ioni di litio non LiFePo4, lo ho scritto, è un installazione fatta dal cantiere costruttore, poi rivisitata per vari problemi e su suggerimento del produttore (dopo 2 anni) sono stati variati i valori di ricarica ed aggiornato il firmware del BMS... la barca fa anche regate, per questo ci è stato chiesto di fare un test, ma arbitrariamente ci siamo presi un margine consci che scendere molto in basso non è un bene. Durante la scarica abbiamo testato il contributo di ciascuna batteria, grosso modo ogni 100A/h scaricati e le variazioni non superano il 2,5% fra le batterie, fra l'altro alternandosi (non sono sempre le stesse a erogare di più o di meno). Le Litio ne escono molto bene e sinceramente pur avendone la sensazione è la prima volta che posso farlo con i numeri. La tensione di ricarica da Ac è prossima ai 29Volt mentre da alternatore Dc con regolatore esterno è 28.8Volt ,l'alternatore nonostante un getto d'aria diretto per lui sale in temperatura immediatamente e quindi abbiamo cercato un compromesso per ritardare l'intervento del blocco per alta temperatura. Con le LiFePo4 teniamo le tensioni più basse, normalmente attorno ai 28Volt.

[AndreaB72]

Scelta "interessante" quella del LiION - ci sono dei rischi.
Le celle LiION sono da 3.6V nominali e i pacchi da 24V si assemblano in 7s. La tensione massima di carica dovrebbe essere 4.2V per cui 29V di carica (4.14V per cella) è molto vicino al massimo (98%).
Con le LFP il pacco da 24V è un 8s con una tensione massima di 3.65Vx8=29.2V.
In pratica siete piu aggressivi con le LiION che con LFP (95%).

Mi piacerebbe davvero vedere la tensione delle celle individuali - è anche possibile che il BMS non abbia proprio un bilanciatore (anni fa non era una funzione ritenuta utile) per cui vedere un residuo le 91% è un bel risultato davvero.

(29-08-2022 16:21)maema Ha scritto:  Sono Ioni di litio non LiFePo4, lo ho scritto, è un installazione fatta dal cantiere costruttore, poi rivisitata per vari problemi e su suggerimento del produttore (dopo 2 anni) sono stati variati i valori di ricarica ed aggiornato il firmware del BMS... la barca fa anche regate, per questo ci è stato chiesto di fare un test, ma arbitrariamente ci siamo presi un margine consci che scendere molto in basso non è un bene. Durante la scarica abbiamo testato il contributo di ciascuna batteria, grosso modo ogni 100A/h scaricati e le variazioni non superano il 2,5% fra le batterie, fra l'altro alternandosi (non sono sempre le stesse a erogare di più o di meno). Le Litio ne escono molto bene e sinceramente pur avendone la sensazione è la prima volta che posso farlo con i numeri. La tensione di ricarica da Ac è prossima ai 29Volt mentre da alternatore Dc con regolatore esterno è 28.8Volt ,l'alternatore nonostante un getto d'aria diretto per lui sale in temperatura immediatamente e quindi abbiamo cercato un compromesso per ritardare l'intervento del blocco per alta temperatura. Con le LiFePo4 teniamo le tensioni più basse, normalmente attorno ai 28Volt.

[maema]

Il BMS è della energy system modello MG 1000 LV, uno dei migliori a parer mio, per un certo periodo anche Victron lo ha commercializzato con il suo brand poi Victron è passata ad uno più easy.
Interfacciandosi con il loro software si possono vedere molti dati, la scelta delle Ioni di Litio fu voluta dall'armatore per ragioni di peso, quasi il 50% in meno rispetto a LiFePo4.
Qui puoi trovare info sul BMS
https://downloads.mgenergysystems.eu/masterlv/documents

[AndreaB72]

Ah! Stile Victron - niente bilanciamento. Però c'è la protezione per lo sbilanciamento.
Era la filosofia Victron, il bilanciatore non serve perché le celle sono di buona qualità e non si sbilanciano (non è del tutto vero).

Comunque, è un bell'impianto, complimenti.

[Kano]

Buongiorno,
Come risultato dei 6 anni di test, se doveste promuovere o consigliare una tecnologia rispetto all’altra, tenendo anche conto del costo di acquisto delle batterie e dell’impianto necessario, che tecnologia riterreste consigliabile ad un armatore amatoriale?

Prima o poi dovrò cambiare le mie 2 Agm che hanno compiuto 12 anni, mi sembra che ad oggi, sia ancora più conveniente optare per la tradizionale agm che ha costi più contenuti, o meglio non vedo benefici così alti nella litio per giustificare la maggiore spesa.

[danielef]

(29-08-2022 13:40)maema Ha scritto:  (*) Il test sulle litio è stato effettuato fermandosi al valore di tensione raccomandato dal produttore +0.2Volt, mentre sul Piombo ci siamo fermati a 21Volt con corrente di scarica di 1/20 la capacità nominale con t=28/31°C

Confesso la mia ignoranza che basterebbe risolvere con una puntata su wiki ma preferisco intervenire.

Che significato ha fermarsi in scarica a +0,2 V per un sistema e calcolare quindi l'energia disponibile erogata anche a tensioni inutilizzabili paragonandola all'energia fornita da un altro sistema a tensioni più o meno utilizzabili in tutto il range (21 V)?
Mi viene il dubbio che +0,2 V sia un refuso. Se non lo è, suggerirei di rifare la misura fermandosi alla stessa soglia per entrambi i sistemi per avere dei risultati utili a ragionamenti futuri.

Comunque ho qualche altro appunto (il solito pignolo rompib...!)

1) i numeri Ah scaricati -> energia scaricata kWh non sembrano essere coerenti a meno che... la risposta la so già: la tensione non è quella
73829 Ah x 24V => 1771 kWh
62162 Ah x 24V => 1491 kWh
2) il rendimento trovato del 99% per le batterie al Litio sembra suggerire che non venga prodotto nessun calore, in particolare in carica. Possibile?
Sono tenute a temperature di superconduttività per evitare l'effetto Joule?
Scherzo, ovviamente!

[AndreaB72]

Il test di maema è corretto. Sia per il Pb che per il litio si è fermato ad una soglia di sicurezza per le batterie che ovviamente è differente per le due chimiche.
Sotto i 21V avrebbe rotto le batterie al Pb e sotto +0.2V dalla tensione di SOC=0% avrebbe rischiato di compromettere le batterie al litio.
Ci sarebbe da commentare che il confronto a parità di capacità nominale non è possibile perché le batterie al Pb non possono erogare la capacità nominale mentre quelle al litio si (quasi...).
Tutte le specifiche sono diverse... sarebbe più giusto confrontare le batterie al litio con l'analogo al piombo maggiorato di un fattore 1.5-2. In pratica 1KWh al litio andrebbe confrontato con 2KWh (nominale) al Pb per avere un minimo di equivalenza. In altre parole quello che fai con una capacità nominale di 2KWh (Pb) lo puoi fare con soli 1KWh (Litio).

Il 99% di rendimento: è corretto perché per il litio ha una bassissima resistenza interna ed è costante per tutta la curva di SOC. Il Pb invece ha un'efficienza che decresce con lo stato di carica per cui una batteria al Pb vicina al carica completa carica trasforma in carica solo il 20-30% della corrente ed il resto va in calore. Questa è anche la caratteristica che rende il Pb più resistente all'overcharge.

(01-10-2022 13:50)danielef Ha scritto:  Confesso la mia ignoranza che basterebbe risolvere con una puntata su wiki ma preferisco intervenire.

Che significato ha fermarsi in scarica a +0,2 V per un sistema e calcolare quindi l'energia disponibile erogata anche a tensioni inutilizzabili paragonandola all'energia fornita da un altro sistema a tensioni più o meno utilizzabili in tutto il range (21 V)?
Mi viene il dubbio che +0,2 V sia un refuso. Se non lo è, suggerirei di rifare la misura fermandosi alla stessa soglia per entrambi i sistemi per avere dei risultati utili a ragionamenti futuri.

Comunque ho qualche altro appunto (il solito pignolo rompib...!)

1) i numeri Ah scaricati -> energia scaricata kWh non sembrano essere coerenti a meno che... la risposta la so già: la tensione non è quella
73829 Ah x 24V => 1771 kWh
62162 Ah x 24V => 1491 kWh
2) il rendimento trovato del 99% per le batterie al Litio sembra suggerire che non venga prodotto nessun calore, in particolare in carica. Possibile?
Sono tenute a temperature di superconduttività per evitare l'effetto Joule?
Scherzo, ovviamente!

[danielef]

(01-10-2022 17:28)AndreaB72 Ha scritto:  Il test di maema è corretto. Sia per il Pb che per il litio si è fermato ad una soglia di sicurezza per le batterie che ovviamente è differente per le due chimiche.
Sotto i 21V avrebbe rotto le batterie al Pb e sotto +0.2V dalla tensione di SOC=0% avrebbe rischiato di compromettere le batterie al litio.

Ho capito che qui si confrontano cose molto diverse e per ottenere numeri apprezzabili occorrerebbe "truccare" il numero di partenza. Il mio dubbio rimane: non sarebbe più significativo confrontare la scarica fino a una stessa tensione "utile", per esempio di 21 V? Al di sotto di questo valore "utile" tutto quello che il Litio può dare più del piombo diventa inutile a meno di non utilizzare elevatori di tensione che a loro volta sono poco efficienti.

E qui mi fermo perché confesso di nuovo la mia ignoranza: se la curva di scarica del Litio è un gradino, praticamente orizzontale e precipita a +0,2 V solo all'ultimo, allora ho torto su tutta la linea!

[maema]

Probabilmente non ho azzeccato il titolo, e giustamente vengo redarguito, ma i test eseguiti non avevano velleità di confronto assoluto fra le due tecnologie, innanzitutto rispondevano ad una richiesta degli armatori che volevano conoscere lo stato delle batterie. Per eseguire i test batterie ho una piccola apparecchiatura realizzata con un PLC, imposto le soglie di tensione per la scarica e la ricarica, la corrente di scarica gestita tramite SSR su carico resistivo tramite inverter ed il numero di cicli (*) che voglio eseguire, la lasciamo a bordo per qlc giorno, e quando torno scarichiamo i dati le curve etc... dalla strumentazione di bordo, (entrambe hanno il VRM Victron) possiamo vedere cosa hanno fatto negli anni (da li ho preso gli A/h scaricati, ricaricati, la potenza etc...), e con questi dati diamo una risposta agli armatori, poiché le barche hanno gli stessi anni e capacità simili ho pubblicato i valori per dare dei dati reali a chi si interessa di questi argomenti, tutto qui.
(*) sui banchi con batterie al piombo soprattutto se si teme che vi siano solfatazioni vale la pena ripetere almeno 3/4 cicli, talvolta fra il primo ciclo e l'ultimo vi è anche il 25% di differenza.