Baterias de alto desempenho para armazenamento de energia em sistemas FV

Transcrição

1 Baterias de alto desempenho para armazenamento de energia em sistemas FV Maria de Fátima Rosolem CPqD Workshop IEE/USP - Inversores híbridos com Sistemas de Armazenamento de Energia - 19/11/15

2 Contexto atual do meio ambiente Efeito estufa Poluição do ar Alta emissão de CO 2 Desequilíbrio ambiental

3 Acumuladores eletroquímicos

4 Potência disponibilizada

5 Densidade energética (Curvas Ragone)

6 Densidade energética Densidade de energia típica (Wh/kg) Lítio-íon Niquel hidreto metálico Níquel cádmio Chumbo-ácida Wh/kg

7 Baterias chumbo-ácidas avançadas Chumbo-carbono Tensão: 2 V Energia: entre 10 Wh/kg a 40 Wh/kg Placa negativa: chumbo, carbono Placa positiva: peróxido de chumbo Eletrólito: solução aquosa ácido sulfúrico (imobilizado) Bateria Bipolar: placa positiva e negativa numa mesma estrutura Bipolar Chumbo-carbono

8 Baterias chumbo-ácidas avançadas Vantagens Baixa emissão de gases Capacidade de absorver maiores picos de corrente Requer menor demanda de manutenção Tecnologia madura Desvantagens Indicado operação em ambiente climatizado Mais sensível às condições operacionais, tais como tensão elevada, temperatura, etc. Pode entrar em avalanche térmica

9 Bateria de níquel-sódio Tensão: 2,58 V Energia: entre 90 Wh/kg a 150 Wh/kg Placa negativa: sódio (fundido) Placa positiva: cloreto de níquel Eletrólito: NaAlCl 4 (fundido) Temperatura operação: 250 a 300 o C Bateria Zebra - Na/NiCl 2

10 Bateria níquel-sódio Vantagens Possui sistema de monitoração e gestão embutido na bateria (BMS) Requer pouca demanda de manutenção Larga faixa de temperatura de operação: -30 o C a +60 o C Desvantagens Elevada autodescarga (1 semana) Tempo de recarga em torno de 8 a 12 horas Parte da energia da bateria é utilizada para seu aquecimento Mais resistente em operação em temperatura elevada Não é possível fazer correções das baterias em campo

11 Bateria de lítio-íon Tensão: ordem de 4 V Energia: entre 100 Wh/kg a 220 Wh/kg Placa negativa: grafite (carbono) Placa positiva: óxido metálico de lítio Eletrólito: sal de lítio (LiPF 6 ) misturado em solventes orgânicos

12 Células de lítio-íon

13 Novas gerações de cátodo

14 Novas gerações de ânodo Enxofre (S) Silício (Si) Titanato (Ti) Estanho(Sn)

15 Limites operacionais As células de lítio-íon necessitam do controle eletrônico (BMS): Segurança Desempenho

16 Pack de bateria Tampa BMS Caixa superior Células Camisa de água Anéis de espuma Caixa inferior

17 Comparação entre as famílias de lítio-íon

18 Bateria de lítio-íon Vantagens Alta densidade de energia ocupa pouco espaço Possui sistema eletrônico de controle e monitoração embutido na bateria Suporta elevado picos de corrente Excelente desempenho em aplicações de ciclagem Desvantagens Imprescindível possuir BMS confiável e com desempenho adequado Pequenos desvios da tensão de operação pode reduzir sua vida útil retificadores tem que ser ajustados adequadamente Não é possível fazer correções das baterias em campo Baixo tempo de recarga (1 a 3 h)

19 Tendências futuras Lítio-Enxofre Silício - Grafeno Litio/Ar Lítio-Ar

20 Bateria de fluxo de vanádio Tensão: 1,4 V Energia: entre 10 Wh/kg a 20 Wh/kg Placa negativa: Composto de vanádio com valência + 4 Placa positiva: Composto de vanádio com valência + 2 Eletrólito: Solução aquosa de ácido sulfúrico

21 Bateria de fluxo de vanádio

22 Bateria de fluxo de vanádio Vantagens Elevada autonomia, pode ser escalada Possui sistema de monitoração embutido na bateria Menor impacto ambiental - não possui metal pesado Desvantagens Ocupa maior espaço Manutenção mais complexa Não é possível fazer correções das células em campo Tecnologia em desenvolvimento, protótipos Vanádio é um metal caro e raro

23 Célula a combustível Reações: Pólo Positivo: H 2 2H + + 2e - Pólo Negativo: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O Tensão Nominal: 0,7 a 1,0V

24 Célula a combustível - 50kW

25 Célula a Combustível Vantagens Elevada autonomia Possui sistema de monitoração embutido na célula Não necessita de recarga Desvantagens Manutenção mais complexa Não suporta elevados picos de corrente Sistema de geração de hidrogênio Tem que ter uma bateria para sua partida Hidrogênio tem que ser instalado em ambiente com ventilação adequada Não é possível fazer correções das células em campo

26 Comparativo das tecnologias de bateria Bateria Pb-ácida VRLA Na/NiCl 2 Lítio-íon Fluxo Vanádio CaC Tensão nominal (V) Densidade de energia (Wh/kg) Temperatura de operação ( o C) Eficiência (%) Vida cíclica (ciclos) Vida projetada (anos) 2,0 2,6 3,2 a 3,8 1,4 0,7 a 1,0 25 a a a a 20 5 a a a a a a hs a 15 5 a 10

27 Maturidade de desenvolvimento

28 Baterias de lítio-íon disponíveis no mercado para uso em sistemas fotovoltaicos conectados a rede

29 Furnas Centrais Elétricas - sistemas 48 V

30 Embratel - sistemas de 48 V

31 Bateria de lítio V 125 V/85 Ah

32 Conclusões Busca mundial em inovação em acumuladores de energia Novos acumuladores já possuem sistemas eletrônicos de gestão, controle e monitoração Tendência de diminuição dos preços Há vários tipos de tecnologias Para a seleção de uma tecnologia deve ser avaliado o local de instalação e suas condições ambientais e operacionais

33 CPqD

34 Obrigada Maria de Fátima Rosolem