Kit solar de aislada con batería de litio – Conceptos imprescindibles

1.- Conceptos imprescindibles:

– Aislada Vs Autoconsumo

Instalaciones aisladas. Son aquellas que no están conectadas a la red eléctrica. No necesitan legalización. Los inversores que se utilizan son inversores de baterías capaces de generar la red alterna de 230V. Necesitan baterías para funcionar. Aunque existen modelos de inversor que puede funcionar sin baterías, difícilmente el sistema puede funcionar correctamente si no se instalan baterías.

Instalaciones de autoconsumo. Instalaciones interconectadas a la red alterna. Necesitan legalización. Se utilizan inversores de autoconsumo que se conectan a la red 230V, es decir que ellos mismos no generan la red. Estos inversores no tienen que soportar los picos de potencia ni transitorios de arranque de los electrodomésticos de casa porque es la propia red la que suministra la energía donde la fotovoltaica no llega. Todos los inversores de autoconsumo pueden funcionar sin baterías y cuando cae la red el inversor de autoconsumo se desconecta para no trabajar en isla (o en modo aislado). Actualmente los inversores de autoconsumo más comunes son híbridos, es decir que además de conectarse a la red pueden llevar batería. Cuando la instalación tiene batería, es posible implementar la función backup, es decir, que el sistema siga funcionando cuando cae la red.

Falso autoconsumo / Una mezcla de las dos anteriores. Son instalaciones con inversores de aislada con la red conectada al cargador del inversor. Al no estar interconectada con la red eléctrica no necesitan legalización. Este tipo de instalaciones no tiene mucho sentido, primero porque no hay posibilidad de inyectar excedentes en red perdiendo la compensación, segundo porque es imprescindible el uso de baterías lo que encarece la instalación y tercero porque el inversor tiene que ser suficientemente potente para alimentar todos los consumos de la vivienda, incluyendo transitorios de arranque de cargas inductivas.

Si se utiliza el término autoconsumo como – consumir lo que uno mismo produce – entramos en una gran confusión porque en el sector de la fotovoltaica solamente se utiliza el término autoconsumo para el segundo tipo de instalaciones. Ya que así lo contempla la normativa actual.

Por lo tanto, recomendamos el término autoconsumo solo para aquellas instalaciones interconectadas con la red eléctrica.

– Inversores híbridos

Hoy en día se utiliza el término híbrido para muchas cosas pero en fotovoltaica, partiendo de la explicación anterior de los 2 tipos de instalaciones solares había 2 tipos de inversores, los de aislada y los de autoconsumo (anteriormente conexión a red). Por lo tanto, cuando se hace referencia a un inversor híbrido lo más normal es que sea un inversor de aislada y de autoconsumo al mismo tiempo. Es decir, un inversor de autoconsumo capaz de llevar baterías.

Muchas veces se aplica el término híbrido para inversores de aislada por el hecho de incorporar cargador de baterías y regulador solar en un mismo equipo. «Los famosos Voltronic». Nosotros los llamamos inversores 3 en 1, inversor + cargador + regulador solar todo en un mismo equipo. Hay otros que lo llaman inversor multifunción.

Llamar a estos inversores híbridos crea confusión porque si se instalan en una vivienda con conexión a la red eléctrica «falso autoconsumo», la red se utiliza para cargar baterías y no hay posibilidad de compensación de excedentes.

Por lo tanto, recomendamos el término híbrido para aquellos inversores de autoconsumo que puedan llevar baterías. Ejemplo inversores híbridos Huawei

– Potencia Vs Consumo

Una bombilla de 2W (vatios) tiene 2W de potencia. Si la encendemos durante 1h consume 2W x 1h = 2Wh (vatios-hora).

• La potencia (W) viene limitada por el contrato de la luz o por la potencia de salida del inversor. Limita el número de electrodomésticos que podemos conectar al mismo tiempo antes de que salte la luz. En la factura de la luz es un término fijo que pagamos todos los meses. En una instalación aislada cuanto más potente es el inversor más caro.
• 1.000W (vatios) = 1kW (kilovatio)
• El consumo (Wh) (vatios-hora) es la energía que consumimos y que pagamos en la factura de la luz por kwh consumidos. En una instalación aislada el consumo se limita a lo que producen las placas solares + la autonomía que nos puede dar la batería.

– Potencia Pico Vs Producción solar

Potencia Pico: un panel solar de 460Wp tiene:

• 460Wp en condiciones STC (Standar Test Condition) condiciones estándar de medida. Condiciones de laboratorio que no se dan casi nunca en la realidad.
• 342Wp en condiciones NOCT (nominal operating cell temperature). Condiciones reales de funcionamiento. Aproximadamente un 80% del valor de laboratorio. Eso será lo máximo que veremos producir al panel solar la mayoría de días.

Producción solar: un panel solar de 460Wp orientado al SUR y con inclinación de 30º produce:

• Zona 3, en verano: 460Wp x 5,2HSP = 2.392Wh/día
• Zona 3, en invierno: 460Wp x 2,6HSP = 1.196Wh/día

*Además habrá que tener en cuenta pérdidas por temperatura, eficiencia de los equipos, suciedad, etc

– Autonomía de la batería de litio

La capacidad de la batería tiene que ser lo suficientemente grande para proporcionar energía a la vivienda cuando no hay radiación solar. Es decir, por la noche y los días nublados.

Una batería de 9,6Kwh (9.600Wh) con una profundidad de descarga del 80% tiene una energía útil de 9.600Wh x 0,8 = 7.680Wh. Esa capacidad daría una autonomía de 2 días sin sol para un consumo de unos 3.500Wh/día.

La capacidad de la batería se puede medir en Ah (amperios-hora) o en KWh (kilovatios-hora). Para calcular una o la otra es necesario conocer la tensión de batería.

• Una batería de litio de 2,4kwh (kilovatio-hora) y 48V tiene una capacidad de: 2.400Wh / 48V = 50Ah (amperios-hora)
• Si partimos de la capacidad en Ah, multiplicaríamos por la tensión de 48V para obtener los Wh así: 50Ah x 48V = 2.400Wh

– Régimen de descarga de la batería, la «C de descarga.

Una batería de litio de 2,4kwh y 48V con una capacidad de 50Ah (amperios-hora) podemos descargarla:

• Con una corriente instantánea de 50A (1C), que sería una potencia de 50A x 48V = 2.400W
• Con una corriente instantánea de 25A (0,5C), que sería una potencia de 25A x 48V = 1.200W
• Con una corriente instantánea de 12,5A (0,25C), que sería una potencia de 12,5A x 48V = 600W
• etc

IMPORTANTE: La corriente de carga y descarga de las baterías de litio está limitada. Aproximadamente para baterías de 2,4kwh la corriente recomendada es de 25A. Para baterías de 3,6kwh la corriente recomendada es de 35A, para baterías de 4,8kwh la corriente recomendada es de 50A, etc

Las baterías permiten una tasa de corriente de hasta el doble de la recomendada durante unos pocos segundos.

– Consumo diario Wh/día que permite un kit solar

La producción solar tiene que ser suficiente para cubrir el consumo diario y la carga de la batería en las peores condiciones de radiación solar. Normalmente en invierno. Y como hemos visto, la producción solar es casi el doble en verano que en invierno.

Un kit solar con 6 paneles de 470Wp, total 2.820Wp puede producir

• 15.000Wh/día en verano y unos
• 7.500Wh/día en invierno.

IMPORTANTE: La producción solar permite consumir mucho si el consumo coincide con las horas de producción. Por ejemplo, durante las horas de sol de un día de verano podríamos consumir hasta unos 10.000Wh/día. Y en invierno hasta unos 5.000Wh/día o más.

No obstante, no se puede contar con un consumo diario tan elevado si tenemos una batería de 7.680Wh útiles. Ya que el primer día que no salga el sol la batería no tendrá la suficiente energía disponible y se apagará el sistema. Si se dispone de un grupo electrógeno será necesario cargar las baterías.

– Potencia Alterna Vs Potencia Continua

En un sistema solar tenemos la parte de corriente continua (baterías y paneles solares) y la parte de alterna (la vivienda).

Una potencia de consumo en la vivienda de 2.000W supone:

• 2.000W / 230V = 8,69A de corriente alterna
• 2.000W / 48V = 41,6A de corriente continua

Sin tener en cuenta las pérdidas por conversión. La potencia es la misma tanto en al parte de alterna como en la parte de continua. La tensión en la parte de alterna es mucho mayor y por tanto la corriente es mucho menor.

2.- Principales ventajas de las baterías de litio

Alta profundidad de descarga. El litio se puede descargar teóricamente hasta el 100%, aunque lo recomendable en la mayoría de modelos es hasta el 80%. Las baterías plomo-ácido lo aconsejado es la descarga máxima del 50%, pudiendo dañarse con descargas superiores al 80%.

Capacidad Litio Vs Plomo-ácido. Dado que podemos descargar las baterías de litio hasta el 80% y las de plomo-ácido hasta el 50%. La capacidad de diseño equivalente en litio es un 0,7 respecto a las baterías de plomo. Es decir, una batería de litio de 9,6kWh es equivalente a una batería de plomo-ácido de 13,7kWh.

Alta eficiencia de carga. Al contrario que las baterías de plomo-ácido con eficiencias de carga del 95% aprox. para la fase bulk (70%-80% de la capacidad) y tan solo un 5% para la carga del restante (20%-30%). Las baterías de litio mantienen una eficiencia de carga del 98% constante. Esto se nota mucho por ejemplo cuando cargamos las baterías con un grupo electrógeno; las plomo-ácido necesitarían 5h de grupo mientras que las de litio tan solo 1,5h. O durante el invierno con la carga de paneles solares ya que al tener menos horas de sol, es más fácil cargar las baterías de litio que las de plomo-ácido.

Régimen de descarga y capacidad. La capacidad de las baterías plomo-ácido depende muchísimo del régimen de descarga. En una descarga de una batería de plomo de 900Ah en C100 con una corriente de descarga de 9A (0,01C) se obtiene el 100% de la capacidad de la batería, no obstante con una descarga de 900A (1C) se obtendría tan solo el 20% de la capacidad de la batería. En una batería de litio una descarga del 0,5C obtiene el 100% de la capacidad de la batería y una descarga en 3C se obtiene casi el 90% de la capacidad de la batería.

Traducido: Consumir de la batería con una potencia de 1.000W o de 3.000W no influye prácticamente en la capacidad de una batería de litio. En cambio la capacidad de una batería de plomo será mucho más pequeña cuanto mayor sea la potencia con la que consumimos.

Peso y densidad energética

Las baterías de litio son más pequeñas y pesan menos. Por tanto tienen una mayor densidad energética. Una OPzS de unos 14kwh pesa unos 400kg, una batería de litio de 9,6kwh pesa unos 88kg.

Vida útil de las baterías

Sobre este punto podríamos escribir mucho, pero lo que consideramos más importante que debes conocer es:

La mayoría de las baterías de litio tienen 10 años de garantía. ¿Significa esto que la batería dura 10 años?

La respuesta es «absolutamente no». Es muy importante entender que la garantía de la batería es contra defecto de fabricación. Si durante los primeros 10 años de vida de la batería tenemos algún problema que se debe a un defecto de fábrica, nos repararán la batería o la sustituirán en garantía, evidentemente no obtenemos unos nuevos 10 años de garantía extra con la sustitución o la reparación. La garantía es válida para 10 años a partir de la fecha de compra.

Por tanto, y sin tener en cuenta causas que quedan evidentemente claras que no cubre la garantía como roturas por golpes, contacto con agua, etc… es posible que se dañe la batería por exceder los límites de operación de las mismas, corriente o tensión excesiva, etc cosa que el fabricante puede ver en el log de la batería y determinar que no aplica la garantía.

O porque se ha llegado al final de los ciclos de vida de la batería. Por ejemplo, si le hacemos 2 ciclos de carga y descarga por día a la batería es normal que la batería dure menos años, pero es justamente aquí donde vienen las dudas.

3.- ¿Cuántos ciclos de vida tienen las baterías?

Pues se espera que tengan más de 6.000 ciclos de vida; tanto para Pylontech como Dyness, BYD etc. Los fabricantes como Dyness que indican las condiciones del test (porque no todos las indican) dicen que los ciclos los consiguen en condiciones de descarga 0,2C a 25ºC de temperatura y con profundidades de descarga del 80% (DoD)

• 6.000 ciclos = 16,4 años

Pero a día de hoy no hay todavía ninguna batería de litio funcionando con esos años de vida para poder verificar su vida útil.

4.- Principal desventaja de las baterías de litio

La limitación más importante de las baterías de litio es su baja tasa de corriente de carga y descarga. Lo que obliga a trabajar a la mayor tensión posible para evitar tener que poner muchas baterías en paralelo.

Modelos de baterías de litio de 24V no hay muchos y tienden a desaparecer del mercado. Baterías de litio de 48V hay muchas en el mercado: Pylontech, Dyness, Turbo, Narada, etc.

Las baterías de litio de 48V más comunes, como la Pylontech o Dyness tienen:

• Corriente de carga/descarga recomendada: 25 Amperios
• Máxima: 50 Amperios

Con una tensión nominal de 48V esto significa

• Corriente de carga/descarga recomendada: 25A x 48V = 1.200W
• Máxima: 50A x 48V = 2.400W

Por tanto, el fabricante recomienda utilizar un número de módulos de batería que suponga una relación 2 a 1 con el inversor

• Inversor 5.000W batería 10.000Wh.

Es decir, con un inversor de 5.000W poner 4 módulos de batería para que se cumplan las siguientes condiciones:

Salida de inversor de 5.000W (5.000W / 48V = 104 Amperios ) – cada módulo de batería tiene que entregar 25 Amperios aproximadamente (25A x 4 = 100 Amperios)

*Como los inversores son capaces de entregar el doble de su potencia nominal durante unos pocos segundos.

Salida de inversor de 10.000W (10.000W / 48V = 208 Amperios ) – cada módulo de batería tiene que entregar 50 Amperios aproximadamente (50A x 4 = 200 Amperios)

5.- ¿Qué sucede si excedo el máximo de corriente permitido por la batería?

En teoría la batería se protege y se para. Simplemente se apagaría el sistema durante unos segundos.

Las baterías de litio llevan incorporado un BMS (Battery Managment System) o BMU (Battery Managment Unit) que controlan las baterías y guardan toda la información de utilización de la misma.

En caso de varios fallos por sobrecorriente podría llegar a dañarse la batería y llegar incluso a perder la garantía. Lo que hace el fabricante en caso de fallo de batería es descargar el log de la batería para determinar si ha sido utilizada fuera de las condiciones que cubren la garantía.

6.- ¿Cómo evito sobrepasar el límite de corriente permitido por la batería?

Utilizando un inversor compatible y con comunicación con la batería. La batería le dice al inversor que limite la potencia de salida o incluso que pare cuando se va a superar lo permitido por la batería. Lo mismo para los cargadores.

7.- Inversores Victron VS Voltronic

Inversores/cargadores Victron. Son inversores con transformador (núcleo de cobre bobinado que proporciona aislamiento galvánico). Son muy robustos y no suelen tener reparaciones en muchos muchos años. Soportan transitorios de arranque de cualquier tipo, bombas de agua, máquinas inverter, etc. La potencia de salida se expresa en VA (voltio-amperios) porque el factor de potencia es inferior a 1 si hay consumo de reactiva (motores, bombas de agua, etc). Son bastante más caros que los voltronic y además es necesario añadir un regulador solar MPPT Victron para completar la instalación. Para utilizar con baterías de litio es imprescindible la utilización de un dispositivo Victron GX (actualmente el Victron Cerbo GX) cuyo precio ronda los 400€. Y además es muy conveniente o en algunos casos necesario adquirir una interface de comunicación para programar el inversor con el ordenador.

Inversores 3 en 1 Voltronic (Inversor + Cargador + Regulador solar). Son inversores sin transformador, por lo que no soportan transitorios de arranque potentes, herramientas de construcción, bombas de agua potentes, etc. terminan por romper el inversor. Los transistores de potencia van rompiéndose poco a poco hasta que un día dejan de funcionar. La potencia de salida se expresa tanto en VA (voltio-amperios) como en W (vatios) porque son iguales ya que la electrónica se encarga de que el factor de potencia sea 1. Son una solución muy económica con todo en uno, además del inversor/cargador y regulador solar, incorporan un display con acceso a toda la información y posibilidad de programación.

CONCLUSIÓN

En instalaciones pequeñas-medianas sin grandes exigencias y teniendo en cuenta no utilizar herramientas de construcción y poniendo variadores de frecuencia a las bombas de agua, son una solución perfecta y muy económica.

En instalaciones medianas-grandes con transitorios de arranques potentes y donde se priorice la calidad en vez del precio, un sistema Victron es la mejor solución.

Actualmente la diferencia de precio entre montar un sistema con Voltronic o con Victron es de unos 2.000€ – 2.800€ dependiendo del sistema. Cuantos más paneles solares más caro es el regulador victron.

Ejemplos del mismo kit solar con Voltronic y con Victron

• Kit solar V10: Kit solar con 8 placas solares de 460W, 2 baterías Dyness A48100 de 4,8kwh e inversor/cargador Victron + Regulador MPPT victron + Cerbo GX + Panel táctil.