W ciągu paru ostatnich lat dokonała się poważna rewolucja związana z magazynowaniem energii na jachcie. Na rynku pojawiły się baterie litowe, które wypierają tradycyjne kwasowe. Ponieważ ilość dostępnej energii elektrycznej na jachcie zawsze jest istotna, przyglądam się temu tematowi od dłuższego czasu, przygotowując się do tranzycji. Nie jest to takie proste jak się wydaje na pierwszy rzut oka i niesie ze sobą daleko idące konsekwencje.
Jakie są wstępne założenia i informacje:
- Na jachtach stosujemy baterie w chemii LiFePo4, czyli nie są to baterie LiIon (znane nam z telefonów, elektrycznych samochodów i innych urządzeń elektronicznych). Są one zdecydowanie bezpieczniejsze, nie mają tendencji do zapalania się podczas przeładowania. Trochę gorsze parametry w pełni są rekompensowane przez dużo bardziej stabilne i bezpieczne działanie.
- Dopiero niedawno ABYC (American Boat and Yacht Council), wprowadziło wytyczne dotyczące stosowania nowej chemii, de facto blokując możliwość zastosowania litowych akumulatorów na jachtach, nie rozróżniając zbytnio pomiędzy dwoma typami. Stało się tak po serii pożarów jachtów gdzie zastosowano akumulatory LiIon, lub gdzie były nieprawidłowo zainstalowane. Ostatnio jednak zaczyna być normalizowana obecność LiFePo4 na jachtach, obwarowana jednak wieloma ograniczeniami. Zmiany normatywne nie nadążają za faktycznym rynkiem.
- Trzeba mieć to na względzie, szczególnie ze względu na ubezpieczenie jachtu, niektóre firmy ubezpieczeniowe zaczęły wyłączać odpowiedzialność w przypadku zastosowania na jachcie Litowych akumulatorów. W przypadku przeróbek robionych samodzielnie, trzeba dobrze przedyskutować ten temat z ubezpuieczeniodawcą.
- Szczególnie dotyczy to tzw. „drop in replacement”, które w założeniu mają zastępować odpowiedniego typu baterie ołowiowe. Jest to bardzo zwodnicze, z punktu widzenia firmy ubezpieczeniowej jest to nadal Litowy akumulator, a pozostałe parametry systemu elektryczne też się zmieniają i wymagają adiustacji.
Jakie są zalety baterii LiFePo4, na pierwszy rzut oka:
Najbardziej widoczne to waga i rozmiar: porównywalne akumulatory… zaraz, zaraz, co to znaczy porównywalne? Aby móc coś porównywać, trzeba doprowadzić do wspólnego mianownika widoczne parametry. Na półce sklepowej akumulatory mają podaną nominalną pojemność w Ah, np: 100Ah (przykładowy, niewielki akumulator).
- dla takiego akumulatora w standardowe ołowiowo kwasowej chemii realnie dostępna pojemność jest dużo mniejsza.
- Przede wszystkim, ze względu na opory samego akumulatora, ładowanie powyżej ~85% jest nieekonomiczne, prąd ładowania na alternatorze w miarę napełniania akumulatora maleje ze względu na coraz większy jego wewnętrzny opór. Jak podczas pierwszej godziny ładowania (startując z poziomu 65%) jestem w stanie dodać 50Ah, to po przekroczeniu 85% prąd ładowania spada do 15Ah. Jeżeli używamy silnika tylko z powodu ładowania akumulatorów jest to najdroższy prąd na świecie.
- Z drugiej zaś strony skali, akumulatory kwasowe nie lubią być mocno rozładowywane. Ma to ogromny wpływ na ich żywotność i dalszą sprawność. Jest wiele typów akumulatorów ołowiowych, gdzie w poszukiwaniu rozwiązania tego problemu zastosowano ciekawe metody techniczne: akumulatory żelowe, AGM, specjalne konstrukcje płyt, pianki węglowe itd. Mają one zdecydowanie polepszone parametry, większe ilości cykli rozładowania, niższy akceptowalny poziom itd. Wszystko to dzieje się za cenę sporej różnicy w cenie. I mimo wszystko, zasady mniej więcej pozostają te same: żywotność jest w olbrzymim stopniu związana z poziomem rozładowania, i czasem w którym bateria jest rozładowana. Oraz przede wszystkim tym, że pełne rozładowanie w zasadzie baterię zabija bezpowrotnie. Dla moich kwasowo ołowiowych baterii, o konstrukcji dostosowanej do głębokiego rozładowania, ale nie będących AGM, w miarę bezpieczny poziom przy którym już staram się podładować akumulator to ~55-60%. Dla AGM byłby to pewnie poziom 30-40%. Czyli realny zakres pracy akumulatora w rejsie, na morzu to 55-85%. Tylko 25-30% nominalne objętości!
- Oczywiście w przypadku tzw „port hopping”, ten problem jest mało istotny: w porcie jesteśmy w stanie, porządną ładowarką z inteligentnym algorytmem doładować i doformatować akumulator do 100%. Jeżeli raz na jakiś czas rozładujemy akumulator do 30%, ale zaraz po wpłynięciu go doładujemy prawidłowo do 100% to konsekwencje dla niego będą niewielkie. Przy dłuższych rejsach, kiedy ma to kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i komfortu pływania, te wartości jednak są takie jak wcześniej wspominałem.
- Akumulator LiFePo4, znacząco różni się pod tym względem. Mimo, że podobnie jak kwasowy nie może być przeładowany i rozładowany do końca, to ważne dla niego poziomy są w innych punktach. Ze względu na inną budowę i chemię nieprzekraczalnych poziomów musi pilnować BMS (battery menagement system), często programowalny. Przyjęte marginesy bezpieczeństwa to przy ładowaniu 90-95% a przy rozładowaniu 5-10%. Jak widać efektywna pojemność to 80-90% pojemności nominalnej. Średnio 3 razy więcej niż dla typowego akumulatora ołowiowego.
- Porównywać więc trzeba cenę, wagę, i wielkość w proporcjach 3 do 1
Przyjmijmy więc po jednej stronie „drop in” akumulator uznanej i drogiej firmy (np Battle Born), 100Ah. W Polsce funkcjonalnie podobny można kupić za 2500zł.
Cena 1400$ (6300zł), wymiary 330/174/240, waga 14kg
Przy zestawie robionym samemu, z pojedynczych ogniw, wygląda to trochę inaczej, bo baterie „drop in” dostosowują się do istniejącego standardu (bazującego na bateriach kwasowych). Tu jako przykład są baterie szwajcarskie a nie bezpośrednio chińskie
Cena 4x115CHF (2000zł), wymiary (w sumie): 191/174/133, waga 9,2kg
W przypadku robionych samodzielnie, trzeba je jeszcze jakoś powiązać, zabezpieczyć; dodać połączenia elektryczne i BMS. Ale mimo to i waga i wymiary są bardziej elastyczne do wstawienia na jacht, a cena zbliżona do kupowanych w Polsce niezbyt markowych „drop in”.
Akumulatory kwasowe: przyjąłem tu tanie, dostosowane do warunków jachtowych, do „głębokiego” rozładowania akumulatory, całkiem porządnego producenta:
Cena 550zł, wymiary (ten sam standard): 330/174/240, waga 26,8kg.
Aby były porównywalne to jednak trzeba ich kupić trzy, więc cena wzrasta do 1650zł, potrzeba trzy razy tyle miejsca i sumaryczna waga to ponad 80kg.
Jak widać ich cena mimo wszystko stanowi w najgorszym przypadku 65%, przy markowych produktach tylko 25% akumulatorów litowych. Potrzebna przestrzeń jest minimum 3x większa (dla „drop in”), zaś waga 6 do 9 razy większa.
Jeżeli mamy miejsce, waga nam nie straszna i nie przewidujemy dłuższych przelotów, to dbając o prawidłowe parametry pracy będziemy zadowoleni w niższej cenie. Dotyczy to perspektywy krótkoterminowej.
Jeżeli jednak dodamy do tego ilość cykli ładowania, które nominalnie akumulatory znoszą, dla ołowiowego 300-600, dla litowych 1500-2000 a nawet 5000, to widać, że w długiej perspektywie nawet najdroższe litowe baterie są konkurencyjne cenowo, a samodzielnie zmontowany zestaw jest optymalnym rozwiązaniem dla jachtu.
Jeżeli wybierzemy firmę Victron, producenta markowych rozwiązań jachtowych, to 100Ah akumulator kosztuje raczej zaporowe 7700zł, ale elektronika jego BMS pozwala na integrację z innymi elementami systemu. W Victronie nie da się kupić zwykłych akumulatorów kwasowych, tylko w wariancie AGM, za cenę 2000zł. Proporcje cenowe są zbliżone.
Czysto funkcjonalną różnicą jest też możliwość dowolnego położenia akumulatorów LiFePo4: mogą leżeć, nie wymagają wentylowanej przestrzeni, ze względu na niską wagę nie mają istotnego wpływu na wyważenie jachtu. Nie wylewa się z nich kwas w sytuacji uszkodzenia obudowy. Mamy dużo większą swobodę upychania ich na jachcie.
W dalszej części przeanalizuję pozostałe różnice pomiędzy oboma systemami.