TEC-VE 2011 - Instituto de Energia e Ambiente

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
Contexto atual do meio ambiente
Efeito estufa
Poluição do ar
Alta emissão de CO2
Desequilíbrio ambiental
Acumuladores eletroquímicos
Potência disponibilizada
Densidade energética (Curvas Ragone)
Densidade energética
Densidade de energia típica (Wh/kg)
200
Lítio-íon
55
Niquel hidreto metálico
60
Níquel cádmio
40
Chumbo-ácida
0
50
100
Wh/kg 150
200
250
Baterias chumbo-ácidas avançadas
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)
Chumbo-carbono
Bateria Bipolar: placa positiva e negativa
numa mesma estrutura
Bipolar
Chumbo-carbono
Baterias chumbo-ácidas avançadas
Vantagens
• Baixa emissão de gases
• Capacidade de absorver maiores
picos de corrente
• Requer menor demanda de
manutenção
Desvantagens
• Indicado operação em ambiente
climatizado
• Mais sensível às condições
operacionais, tais como tensão
elevada, temperatura, etc.
• Pode entrar em avalanche térmica
• Tecnologia madura
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: NaAlCl4 (fundido)
Temperatura operação: 250 a 300oC
Bateria Zebra - Na/NiCl2
Bateria níquel-sódio
Vantagens
Desvantagens
•
Elevada autodescarga (1 semana)
•
Tempo de recarga em torno de 8 a
12 horas
• Larga faixa de temperatura de
operação: -30oC a +60oC
•
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
• Possui sistema de monitoração e
gestão embutido na bateria (BMS)
• Requer pouca demanda de
manutenção
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 (LiPF6) misturado
em solventes orgânicos
Células de lítio-íon
Novas gerações de cátodo
Novas gerações de ânodo
Enxofre (S)
Silício (Si)
Estanho(Sn)
Titanato
(Ti)
Limites operacionais
As células de lítio-íon necessitam
do controle eletrônico (BMS):
• Segurança
• Desempenho
“Pack” de bateria
Tampa
BMS
Caixa superior
Células
Camisa de água
Anéis de
espuma
Caixa inferior
Comparação entre as famílias de lítio-íon
Bateria de lítio-íon
Vantagens
Desvantagens
• Alta densidade de energia → ocupa
pouco espaço
• Imprescindível possuir BMS confiável e
com desempenho adequado
• Possui sistema eletrônico de controle e
monitoração embutido na bateria
• Suporta elevado picos de corrente
• Pequenos desvios da tensão de
operação pode reduzir sua vida útil →
retificadores tem que ser ajustados
adequadamente
• Excelente desempenho em aplicações
de ciclagem
• Não é possível fazer correções das
baterias em campo
• Baixo tempo de recarga (1 a 3 h)
Tendências futuras
Lítio-Enxofre
Silício - Grafeno
Litio/Ar
Lítio-Ar
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
Bateria de fluxo de vanádio
Bateria de fluxo de vanádio
Vantagens
Desvantagens
• Elevada autonomia, pode ser escalada
• Ocupa maior espaço
• Possui sistema de monitoração
embutido na bateria
• Manutenção mais complexa
• Menor impacto ambiental - não possui
metal pesado
• Não é possível fazer correções das
células em campo
• Tecnologia em desenvolvimento,
protótipos
• Vanádio é um metal caro e raro
Célula a combustível
Reações:
Pólo Positivo:
H2
2H+ + 2e-
Pólo Negativo:
O2 + 4H+ + 4e-
2H2O
Tensão Nominal: 0,7 a 1,0V
Célula a combustível - 50kW
Célula a Combustível
Vantagens
Desvantagens
• Elevada autonomia
• Manutenção mais complexa
• Possui sistema de monitoração
embutido na célula
• Não suporta elevados picos de corrente
• Sistema de geração de hidrogênio
• Não necessita de recarga
• 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
Comparativo das tecnologias de bateria
Pb-ácida VRLA
Na/NiCl2
Lítio-íon
Fluxo
Vanádio
CaC
2,0
2,6
3,2 a 3,8
1,4
0,7 a 1,0
25 a 50
90 a 150
100 a 200
10 a 20
5 a 10
- 10 a +40
- 30 a +60
-25 a +45
+10 a +40
80-85
82-91
90-95
60-74
60-75
500-2000
+4500
+5000
+10000
60.000 hs
10
+10
+20
10 a 15
5 a 10
Bateria
Tensão nominal
(V)
Densidade de energia
(Wh/kg)
Temperatura de
operação
(oC)
Eficiência
(%)
Vida cíclica
(ciclos)
Vida projetada
(anos)
-3 a +40
Maturidade de desenvolvimento
Baterias de lítio-íon disponíveis no mercado para
uso em sistemas fotovoltaicos conectados a rede
Furnas Centrais Elétricas - sistemas 48 V
Embratel - sistemas de 48 V
Bateria de lítio - 125 V
125 V/85 Ah
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
CPqD
Obrigada
Maria de Fátima Rosolem
[email protected]
www.cpqd.com.br