ESTADO DA ARTE DE BATERI AS PARA ARMAZENAMENTO DE ENERGI A

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1 MARIA DE FÁTI M A ROSOLEM FUN DAÇÃO CPQD ESTADO DA ARTE DE BATERI AS PARA ARMAZENAMENTO DE ENERGI A SEMINÁRIO SOBRE O ESTADO DA ARTE DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA E INSERÇÃO DE FONTES RENOVÁVEIS INTERMITENTES IEE-USP Março/18

2 Cenário mundial Desenvolvimento de produtos e soluções que reduzam a emissão de gás carbônico e que sejam ambientalmente amigáveis Veículos movidos a combustíveis fósseis são um dos agentes que contribuem para a poluição ambiental dos grandes centros urbanos Movimento mundial: En er gi as renováveis (solar e eólica) Desenvolvimentos dos veículos híbridos e elétricos Novos sist em as de acumulação de energia

3 Densidade energética (Curva R a gone)

4 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 Bateria Chumbo-carbono

5 Baterias chumbo-ácidas avançadas Chumbo-carbono Bipolar

6 Bat erias chumbo-ácidas avançadas Vantagens Baixa em issão de gases Suporta maiores picos de corrente na recarga Menor demanda de manutenção Desvantagens Mais sensível às condições operacionais (tensão elevada, temperatura, etc.) Risco de avalanche t érm ica Contém metal pesado Tecnologia madura (evolução)

7 Bat eria de níquel-sódio (NaNiCl) 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 de níquel-sódio

8 Bat eria de níquel-sódio (NaNiCl)

9 Bat eria de níquel-sódio (NaNiCl) Vantagens Possui sist em a de m onit oração e gestão na bateria (BMS) Pouca demanda de manutenção Larga faixa de temperatura de operação: -30 o C a +60 o C Desvantagens Elevada autodescarga (1 sem ana) Tempo de recarga de 8 a 12 hs Parte da energia da bateria é utilizada para seu aquecimento Operação em temperatura elevada

10 Bat eria de lítio-íon (LiB) Tensão: cerca de 3,6 V Energia: 100 Wh/kg a 250 Wh/kg Placa negativa: grafite Placa positiva: óxido metálico de lítio (p.ex. LiCoO 2, LiMO 2, etc. ) Eletrólito: sal de lítio (LiPF 6 ) misturado em solventes orgânicos (geralmente a base de carbonatos) embebido num separador Carga LiMO 2 + C Li x C +Li 1-x MO 2 Descarga

11 Bat eria de lítio-íon (LiB) Cilíndrica Pouch Prismática

12 Limites operacionais BMS Imprescindível Segurança Vida útil

13 Pack de bat eria Tampa BMS Caixa superior Células Camisa de água Anéis de espuma Caixa inferior

14 Resumo comparat ivo de diferent es LiBs

15 Resumo comparat ivo de diferent es LiBs

16 Bat eria de Lít io-íon (LiB) Vantagens Alta densidade de energia ocupa pouco espaço Possui sistema eletrônico de controle e monitoração na bateria Suporta elevados picos de corrent e 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 Avalanche t érm ica Baixo tempo de recarga (1 a 3 h) Elevada eficiência de carga

17 Novas gerações de cát odo

18 Novas gerações de ânodo

19 Não é possível exibir esta imagem no momento. Não é possível exibir esta imagem no momento. Roadmap famílias de LiB Próximos 5 anos Próximos 10 anos Cátodos de metais de transição enriquecidos com Ni e Mg (NMC compostos) Li-íon - com ânodo de Si Li-S Li-ar Desafios Estabilidade dos materiais Ciclabilidade Soluções em estudos Nanoestruturas Misturas de compostos Coberturas das superfícies Eletrólitos sólidos Desafios Formação de dendritas Estabilidade dos materiais Segurança Ciclabilidade

20 Roadmap famílias de LiB

21 Bat eria 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 ácido sulfúrico

22 Bat eria de Fluxo de Vanádio

23 Bat eria de Fluxo de Vanádio Vantagens Elevada autonomia Possui sistema de monitoração embutido na bateria (BMS) Menor impacto ambiental - não possui metal pesado Desvantagens Ocupa maior espaço Manutenção mais complexa Tecnologia em desenvolvimento Vanádio é um metal caro e raro

24 Comparat ivo das t ecnologias de bat eria Bateria Pb-ácida VRLA Na/NiCl 2 Lítio-íon Fluxo Vanádio Tensão nominal (V) Densidade de energia (Wh/kg) Temp. de operação ( o C) Eficiência (%) Vida cíclica (ciclos) Vida projetada (anos) 2,0 2,6 3,2 a 3,8 1,4 25 a a a a a a a a a a a a a a 15

25 Tendências futuras Metal/ar Zinco-ar Alumínio íon Sódio íon

26 Conclusões Gr andes invest im ent os, a nível mundial, em pesquisa e desenvolvimento de acumuladores elétricos para uso em armazenamento de energia (grid) e veículo elétrico Preços das baterias est ão reduzindo É um caminho sem volta

27 Tecnologias Armazenament o e Gest ão de Energia Desenvolvimento de Inversor, Recarregador e Bateria+BMS para VEP de alto desempenho B G B Desenvolvimento de Bateria+BMU para VEH comercial VMU (Vehicle Management Unit) ECU (Engine Control Unit) TCU (Transmission Control Unit) F Cluster / Body Computer BMU (Battery Management Unit) E A A CAN Network A A AMT B C D E F B IC Engine E-Motor AC/DC Inverter B Gearbox Battery Pack C D

28 Tecnologias Armazenament o e Gest ão de Energia Desenvolvimento de Baterias de Lítio para Armazenamento Fotovoltaico Desenvolvimento de Infraestrutura de Recarga para VEs

29 Projet os pilot os CPqD - Furnas, Embrat el, El et r osul 48 V/100 Ah 125 V / 85 Ah

30 Sist emas de monit orament o de bat eria Sistema de monitoramento e gestão de bateria (ANEEL - Light)

31 Sist emas de monit orament o de bat eria Desenvolvimento de sistemas de monitoramento de baterias com solução antifurto de energia e corte seletivo de carga para sistema FV Isolado (off-grid) Desenvolvimento de Algoritmos para Estimativa de Degradação de Baterias Chumbo-ácidas para Sistemas FVs

32 DRC - Área de Sist emas de Energia

33 CPqD Campinas - SP Obrigada! Maria de Fát im a N.C. Rosolem mfatima@cpqd.com.br

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