Sistema elettrico del veicolo: Confronto tra batterie al piombo e al litio - carica completa
Leon Schulz
· 14.04.2023
Le batterie al piombo sono presenti sul mercato da oltre 150 anni. Nel 1854, Wilhelm Sinsteden riuscì per la prima volta a produrre elettricità da piombo e acido solforico. La sua batteria fu poi ulteriormente sviluppata dal francese Gaston Planté. Tuttavia, solo 27 anni dopo Henri Tudor riuscì a costruire una batteria prodotta in serie. In linea di principio, non è cambiato molto da allora. Con l'introduzione dell'acido legato al gel, le batterie sono diventate a prova di perdite e infine, nel 1972, Gates Rubber ha sviluppato un tappetino di vetro impregnato di acido: è nata la batteria "Absorbed Glass Mat" (AGM). Può essere scaricata più in profondità, può erogare correnti elevate, è meno incline alla solfatazione, non emette ossidrogeno e non perde.
Fino a poco tempo fa, le batterie AGM di questo tipo erano considerate il massimo per l'accumulo di energia, fino a quando non sono arrivate sul mercato le batterie al litio. La batteria al litio funziona con una tecnologia completamente nuova. La domanda ora è: per quali imbarcazioni sono adatte le nuove batterie e per chi è ancora adatta la batteria AGM, molto apprezzata fino a poco tempo fa?
Il piombo può essere migliore
Una premessa: per le batterie utilizzate esclusivamente per l'avviamento del motore, la batteria al piombo, in particolare la versione AGM, è l'ideale e non dovrebbe essere sostituita dal litio.
Una batteria AGM è in grado di erogare le correnti elevate richieste per l'avviamento per un breve periodo, non è necessaria una ventilazione separata e la batteria può essere relativamente piccola, in quanto deve solo avviare il motore. Come batteria di avviamento, la batteria al piombo ha una durata massima, in quanto è e rimane sempre completamente carica, ad eccezione dei pochi secondi che mancano all'avvio del motore. L'argomento più importante a favore della batteria al piombo è che la sua tensione scende immediatamente sotto i dieci volt non appena il motorino di avviamento preleva corrente dalla batteria.
Tuttavia, questa caduta di tensione nella batteria, spesso considerata uno svantaggio, viene presa in considerazione nella progettazione del motorino di avviamento. Con le batterie al litio, la tensione non cala così tanto sotto carico, quindi il motorino di avviamento riceve una potenza notevolmente superiore a quella prevista, che potrebbe non essere in grado di sopportare a lungo. Per i sempre più numerosi e grandi consumatori di energia a bordo, come i dispositivi di navigazione, i telefoni cellulari, i tablet, i notebook, il pilota automatico, il frigorifero, l'illuminazione o le popolari utenze a 230 volt, come le macchine per il caffè, i tostapane, i bollitori e gli asciugacapelli, che vengono azionati da inverter, la questione del tipo di batteria adatto non può avere una risposta uniforme. È necessario invece porsi le seguenti domande:
- Qual è il consumo giornaliero di elettricità?
- Con quale frequenza deve essere caricato?
- A che velocità deve essere caricato?
- Cosa deve essere caricato?
Guastafeste
Le caratteristiche di comfort delle imbarcazioni moderne richiedono molta elettricità. I frigoriferi e gli elettrodomestici sono i maggiori consumatori:
Quanta energia è necessaria per le batterie
Per calcolare il fabbisogno energetico, è meglio partire dalla potenza del rispettivo apparecchio, espressa in watt (W). Moltiplicando questo valore per il tempo di utilizzo previsto dell'apparecchio si ottiene il consumo energetico giornaliero in wattora (Wh). I valori vengono poi divisi per la tensione di bordo - 12 volt o, nel caso di imbarcazioni più grandi, 24 volt - per ottenere l'energia necessaria per ciascun apparecchio in ampereora (Ah). In questo modo si ottiene la quantità totale di energia che deve essere fornita dalle batterie ogni giorno. Per orientarsi, si possono utilizzare i seguenti valori indicativi: Per una gita di un giorno, cioè se si salpa al mattino con le batterie completamente cariche e si rientra in porto nel pomeriggio, si avrà un consumo energetico di circa 39 ampereora.
Per gli skipper costieri che utilizzano un po' più di elettricità e che occasionalmente gettano l'ancora o viaggiano di notte, si calcolano circa 100 ampere-ora per 24 ore di funzionamento. Gli skipper di lungo corso che trascorrono più tempo a bordo e utilizzano molti dei servizi presenti sulla terraferma, tra cui un inverter per gli elettrodomestici a 230 volt, spesso consumano 250 ampere-ora in 24 ore.
Ogni quanto tempo si carica?
Un'altra domanda la cui risposta dipende molto dal comportamento di utilizzo dell'imbarcazione. Ad esempio, se siete ormeggiati in un porto ogni sera, molto probabilmente ricaricherete sempre utilizzando la rete elettrica. Se invece volete ancorare di tanto in tanto, potreste voler ricaricare solo ogni pochi giorni. Nonostante l'ancoraggio, molte persone decidono di caricare le batterie a motore ogni giorno come routine a bordo, per generare acqua calda per il risciacquo o la doccia.
Cosa si usa per la ricarica?
Una volta che la batteria ha perso energia, deve essere rabboccata il più rapidamente possibile. Sulle imbarcazioni a motore, questa operazione viene eseguita in continuazione, poiché il motore è già in carica non appena l'imbarcazione viene scollegata dalla rete elettrica. A parte qualche breve sosta per nuotare, il motore si ricarica praticamente in continuazione, a meno che l'equipaggio non si ancori durante la notte. Non appena il motore riprende a funzionare, la corrente di carica è disponibile per tutto il viaggio. La velocità del processo di ricarica non ha un ruolo importante: è sufficiente che le batterie siano di nuovo piene il mattino successivo.
La capacità utilizzabile
Una batteria al piombo non deve mai essere scaricata completamente. La profondità di scarica di una batteria dipende dal design delle piastre di piombo. Le cosiddette batterie a ciclo profondo hanno piastre di piombo più spesse di quelle progettate per l'avviamento del motore. Anche le batterie AGM possono essere scaricate più a fondo rispetto alle celle al piombo aperte e bagnate. La durata prevista della batteria dipende in larga misura dalla frequenza e dalla profondità con cui viene scaricata e soprattutto dalla rapidità con cui viene ricaricata dopo l'uso. In linea di massima, più la batteria viene scaricata in profondità, più spesso viene scaricata in profondità e più tempo occorre per ricaricarla completamente, più breve è la sua durata. Una batteria al piombo aperta può durare molti anni se non viene quasi mai scaricata e ricaricata immediatamente, come dimostra l'esempio della batteria di avviamento del motore.
D'altra parte, una batteria può essere distrutta in poche settimane se, ad esempio, è stata scaricata al di sotto del 50% e rimane in questo stato per un periodo di tempo prolungato. Per garantire che le batterie durino il più a lungo possibile, le persone prudenti non rimuovono mai più del 50% della capacità nominale dalle batterie AGM (stato di carica del 50% o SoC 50) e mai più del 35% della capacità dalle batterie al piombo aperte (SoC 75). Lo svantaggio è che l'energia utilizzabile è al massimo la metà di quella indicata sull'etichetta. In altre parole, si deve portare in giro un sacco di piombo inutile.
Quanto tempo impiega a caricarsi
Le batterie al piombo possono essere caricate solo fino a circa il 75-80% a una velocità significativa. Se la batteria è piena oltre l'80%, non è più in grado di assorbire correnti maggiori e la velocità di carica diminuisce rapidamente. Purtroppo, l'intervallo tra l'80 e il 100 percento è particolarmente interessante su un'imbarcazione, poiché la batteria al piombo-acido dovrebbe essere il più possibile carica per garantire una lunga durata. Tuttavia, anche la corrente di carica massima è limitata quando il livello di carica è inferiore all'80%. Per non ridurre inutilmente la durata, la batteria non dovrebbe essere caricata con correnti superiori al 20% della sua capacità. Una batteria al piombo da 100 ampere/ora non dovrebbe quindi essere caricata con più di 20 ampere, che corrispondono a 0,2 C. Quanto più delicata è la carica, tanto più lunga è la durata della batteria.
Rapidamente di nuovo pieno
Il comportamento di carica è uno dei principali vantaggi delle batterie al litio:
È qui che le batterie al piombo si differenziano nel dettaglio: le batterie al piombo aperte devono essere caricate particolarmente lentamente, idealmente con soli 0,1 C, mentre le batterie AGM possono essere caricate fino a 0,3 C. Questo è anche il motivo per cui i caricabatterie per batterie al piombo hanno tre fasi. La prima fase è chiamata bulk. Questa viene caricata con la massima corrente di carica possibile, cioè con una batteria da 100 ampere-ora con non più di 20 ampere. La fase bulk dura fino al raggiungimento di una tensione prestabilita della batteria; per le batterie AGM, questa è in genere di 14,4 volt, che corrisponde all'incirca a SoC 80.
Il caricabatterie passa quindi alla fase di assorbimento. La carica avviene sempre più lentamente a una tensione costante, mentre la corrente di carica diminuisce rapidamente. La durata della fase di assorbimento è specificata dal caricabatterie e di solito dura molte ore. Una volta terminata, il caricabatterie giunge alla conclusione che la batteria è finalmente piena. Passa quindi alla terza fase, detta di galleggiamento. Il suo compito è quello di mantenere la batteria alla sua "tensione di benessere", ad esempio a 13,2 volt.
Alcuni caricabatterie particolarmente intelligenti non si basano sul tempo, ma interpretano una corrente di carica prossima allo zero come una batteria completamente carica e quindi passano alla modalità flottante. Anche in questo caso, tuttavia, una carica completa richiede molto, molto tempo.
Poiché alla fine si carica così poco, molti skipper all'ancora utilizzano a malapena più del 30% delle loro batterie al piombo quando le caricano e scaricano tra il 50 e l'80% della capacità. In questo modo, però, si riduce la durata delle batterie al piombo, che devono essere ricaricate regolarmente.
Questa carica parziale è particolarmente critica per le batterie al piombo aperte. Le batterie AGM possono resistere un po' più a lungo allo stato di mezza scarica. Tuttavia, anche le batterie AGM dovrebbero essere ricaricate al 100% ogni poche settimane utilizzando l'alimentazione da terra o durante un viaggio in barca più lungo.
Dentro quello che c'è scritto sulla scatola
Con le batterie al litio, invece, la capacità specificata può essere sfruttata quasi completamente. L'80-90% dell'energia immagazzinata può essere scaricata senza danneggiare le batterie. Solo l'ultimo 10-20% è riservato al sistema di gestione della batteria (BMS) integrato nella batteria, senza il quale le batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) non dovrebbero essere utilizzate a bordo.
Tuttavia, le batterie non dovrebbero essere messe in deposito invernale con una capacità residua così bassa, perché altrimenti l'energia residua potrebbe scendere al di sotto del limite critico. Il BMS si spegne completamente e la ricarica non è più possibile senza ulteriori interventi. È meglio caricare la batteria al 50-80% prima dell'inverno. Alcune batterie sono dotate di uno speciale pulsante invernale che manda l'elettronica in sonno profondo, oppure è possibile rimuovere il fusibile dalla batteria in modo che il computer BMS non rimanga acceso durante l'inverno e non scarichi la batteria.
Chimica della batteria
Tecnologia collaudata basata su batterie al piombo o al litio, che consentono di risparmiare spazio e peso, per una ricarica rapida:
A differenza delle batterie al piombo, la batteria al litio non subisce danni se rimane a lungo a un livello di carica basso, anzi, invecchia più lentamente rispetto a quando è completamente carica. Per questo motivo, non è consigliabile che le batterie al litio siano sempre collegate alla rete elettrica, come sono soliti fare molti proprietari di batterie al piombo; per lo meno, il caricabatterie dovrebbe essere spento.
Per salpare con le batterie piene, è sufficiente attivare il caricabatterie un'ora prima di salpare, poiché le batterie al litio possono essere caricate in un tempo molto breve. Mentre le batterie al piombo dovrebbero essere caricate con un massimo di 0,3 C, una batteria LiFePO4 può essere caricata senza problemi con un C, ovvero una batteria da 100 ampere-ora con una corrente di carica di 100 ampere. Inoltre, questa corrente elevata scorre praticamente durante l'intero processo di carica, riducendo ulteriormente il tempo di ricarica.
Per sfruttare appieno i vantaggi, il caricabatterie deve avere una curva caratteristica del litio che funzioni con le fasi bulk e float. Se è disponibile solo un caricabatterie trifase, la fase di assorbimento superflua deve essere impostata il più breve possibile.
Peso
Se si confronta una batteria AGM da 100 ampereora con una batteria al litio delle stesse dimensioni, si nota subito la differenza di peso: Una batteria AGM pesa circa 30 kg, mentre la batteria al litio pesa solo 14 kg.
Se la massa viene messa in relazione alla capacità utilizzabile, la differenza è ancora maggiore. Il viaggiatore giornaliero, che ha a disposizione un allacciamento alla rete elettrica ogni sera, può utilizzare circa il 50% della capacità della batteria al piombo e pesa 0,6 chilogrammi per ampereora. Nei viaggi lunghi, quando si carica e si scarica solo tra il 50 e l'80 percento durante l'ancoraggio regolare, si utilizza solo il 30 percento della capacità, con un peso di circa un chilogrammo per ampereora utilizzabile.
La situazione è diversa con il litio: Poiché è possibile utilizzare quasi il 100% della capacità, la batteria al litio pesa solo 150 grammi per ampereora.
Domanda sul prezzo
Il prezzo delle batterie al litio scoraggia molti armatori. Mentre una batteria AGM di alta qualità da 100 ampereora costa poco meno di 300 euro, le batterie al litio delle stesse dimensioni sono disponibili a un prezzo compreso tra 1.000 e 2.000 euro.
Per calcolare l'investimento per una nuova batteria, dividere i costi per gli ampereora utilizzabili. Mentre l'investimento per una batteria AGM, a seconda che si utilizzi il 50% o il 30% della capacità, ammonta a sei-dieci euro per ampereora, la batteria al litio, almeno nella versione più costosa, costa il doppio, ossia 20 euro per ampereora.
Se si considera anche il numero di cicli, il quadro appare più favorevole. La durata della batteria AGM è indicata nella scheda tecnica come 400 processi di carica e scarica, mentre per il litio è di diverse migliaia di cicli. La questione della profondità di scarica per cui questi cicli si applicano all'AGM è giustificata, ma non ha un ruolo così importante nella pratica, perché sulla maggior parte delle imbarcazioni la vita di una batteria al piombo non termina dopo il raggiungimento del numero di cicli, ma già prima a causa della solfatazione.
Vantaggi e svantaggi:
Le batterie al piombo sono costituite da piastre di piombo e acido solforico. Se la batteria rimane in uno stato di carica parziale per un periodo di tempo prolungato, i cristalli di solfato di piombo si uniscono per formare ammassi sempre più grandi, riducendo sempre più la capacità della batteria. Quanto più profonda è la scarica e quanto più tempo passa prima della successiva carica completa, tanto più rapida è la solfatazione. Le batterie AGM sono un po' meno sensibili alla solfatazione rispetto alle batterie al piombo aperte. Tuttavia, con le batterie aperte, si può tentare di sciogliere i cristalli con una carica d'urto ad alta tensione; alcuni caricabatterie offrono programmi di desolfatazione speciali per questo scopo. Questo processo provoca la formazione di gas ossidrico e la perdita di elettrolito, per cui è necessario rabboccare l'acqua distillata. Una volta che i solfati si sono formati nelle batterie al gel o AGM, non possono essere invertiti. I programmi di desolfatazione non devono essere utilizzati con questi tipi di batterie.
Se si ipotizza che la vita utile delle batterie al piombo sia di 400 cicli nonostante la solfatazione, ogni ampere ora costa da 1,5 a 2,5 centesimi, mentre il litio è la soluzione più conveniente a un centesimo per ampere ora e per ciclo. Le batterie al litio possono certamente avere un senso economico, ma di solito si ripagano solo dopo molti anni.
La ricarica con l'alternatore accorcia inoltre i tempi di ricarica e consente di risparmiare carburante, per non parlare della riduzione delle emissioni di CO2.
Il sistema elettrico
In caso di utilizzo di batterie al litio, è necessario riconsiderare l'intero concetto di alimentazione di bordo. L'installazione di batterie al litio, ad esempio per abbreviare i tempi di ricarica, sarà deludente se l'alternatore non è progettato per fornire continuamente correnti di ricarica elevate. Allo stesso modo, il tempo di funzionamento del generatore diesel a 230 volt, per quanto grande, non sarà ridotto se è collegato a un caricabatterie che è molto al di sotto della possibile capacità di carica della batteria.
Può quindi essere molto sensato installare un secondo alternatore ad alte prestazioni sul motore. Dovrebbe avere una caratteristica di carica per le batterie al litio e fornire amperaggi elevati anche a caldo. Effetto collaterale: se uno dei sistemi di ricarica è difettoso, l'alternatore ancora funzionante può caricare le batterie del motore e dell'utenza commutandole o utilizzando un cablaggio temporaneo.
Infine, tutti i cavi, i fusibili e i contatti a bordo devono essere controllati e sostituiti se necessario. Perché se improvvisamente scorrono correnti di carica elevate, l'intero sistema deve essere ben armonizzato.
