Baterias
Desenvolvimento Tecnológico em Baterias
As funções desempenhadas por Battery Energy
Storage em Utility Applications, facilitam a integração renovável, equilibrando a
oferta e a demanda em tempo real. O armazenamento é especialmente crucial em
áreas urbanas densamente povoadas, onde as técnicas de armazenamento
tradicionais, como armazenamento de energia hidrelétrica de bombeamento e
armazenamento de energia de ar comprimido, muitas vezes não são viáveis.
Os principais papéis que o armazenamento de energia da bateria desempenham na grade incluem:
Os principais papéis que o armazenamento de energia da bateria desempenham na grade incluem:
✔
nivelar a carga, fornecendo eletricidade de backup e garantindo segurança e
estabilidade da rede;
✔
melhorar a qualidade da energia através da regulação de frequência / tensão;
✔
diversificar as carteiras de geração, reduzir o consumo de combustível caro e
promover a penetração de renováveis;
✔
reforçar a segurança e a confiabilidade do fornecimento de energia;
✔
aumentar a eficiência da geração e transmissão de eletricidade, adiando a
expansão da infra-estrutura do sistema de energia;
✔
reduzir o custo operacional da geração de energia, economizando despesas de
eletricidade para clientes finais;
✔
atenuar as flutuações do sistema em frequências baixas e altas;
✔
acelerar a sinergia entre veículos elétricos (VEs) e a rede elétrica.
Categorias de baterias de escala comercial
As baterias recarregáveis são os dispositivos de armazenamento de energia
elétrica mais difundidos hoje e armazenam energia elétrica sob a forma de
energia química. As tecnologias representativas à escala comercial atualmente
utilizadas na indústria de energia elétrica incluem baterias de chumbo-ácido (Nas), baterias níquel-metal-hidreto (niMh), baterias de iões de lítio (li-ion), baterias de enxofre de sódio e
baterias de fluxo redox de vanádio (vrBs). Essas tecnologias normalmente exibem
características diferentes, com vários tamanhos e componentes químicos
incorporados. A tabela 1 resume os principais atributos de cada um.
TABELA 1
TABELA 1
As tecnologias de bateria, particularmente os tipos li-ion e vrB,
experimentaram avanços notáveis nos últimos anos. O desenvolvimento da
bateria é em grande parte impulsionado pela demanda por aplicações de redes
inteligentes e VE.
Até 2014, a bateria NaS foi a principal opção no setor de energia elétrica. No
entanto, desde então, a paisagem de armazenamento da
bateria foi gradualmente deslocando da bateria da NaS para suas contrapartes,
ou seja, baterias de fluxo li-ion e redox (vrBs). Isto é devido às melhorias de
desempenho significativas e reduções de custos alcançadas por essas baterias. a
capacidade da bateria li-ion instalada é projetado para aumentar rapidamente, então espera-se que se torne a tecnologia
de armazenamento de bateria dominante para o futuro. As baterias de fluxo
também mostram crescente popularidade no armazenamento de energia de escala de
utilidade.
Além das diferenças de preços, cada tipo de bateria exibe suas próprias características
e características únicas. Isso pode tornar um tipo bem adequado para um
aplicativo de armazenamento de energia específico; assim, tecnologias de
bateria diversas contribuirão simultaneamente para todo o mercado de
armazenamento de energia.
A bateria de chumbo-ácido é a bateria recarregável mais antiga: seu uso nos setores doméstico e industrial remonta a meados dos anos 1800. Em tal bateria, os eletrodos positivos e negativos são compostos separadamente de dióxido de chumbo e chumbo metálico, que são imersos em um eletrólito de ácido sulfúrico diluído. Existem dois tipos típicos, nomeadamente soluções de ácido-chumbo inundadas com ácido de chumbo e ácido selado com válvula-ácido (vrla) uma bateria inundada de chumbo-ácido é a menos dispendiosa das duas, mas geralmente requer pelo menos manutenção mensal para verificar e adicionar água destilada. Além disso, sua operação precisa ser realizada em locais ventilados porque produz inflamável
gases. Como uma solução de manutenção mais baixa, a bateria vrla usa uma válvula para minimizar a perda de água ao permitir a recombinação de hidrogênio e oxigênio.
As principais vantagens de usar baterias de chumbo-ácido são a alta eficiência energética, baixa taxa de auto-descarga e baixo custo inicial. no entanto, a sua promoção adicional para uso comercial sofre de algumas desvantagens técnicas óbvias, incluindo baixa profundidade de descarga (<20%), baixa vida útil do ciclo, baixa densidade de energia e taxa de carga lenta.
As baterias de chumbo-ácido ainda são empregadas principalmente nos casos em que a relação custo-eficácia, confiabilidade e tolerância ao abuso são críticas, mas a densidade de energia e a vida útil não são tão importantes. tais aplicações incluem partida automotiva, iluminação e ignição, fonte de alimentação ininterrupta (UPs) e balanceamento renovável.
Bateria
Li-Ion
A bateria li-ion é uma bateria recarregável avançada, comercialmente desenvolvida pela Sony no início da década de 1990. durante o carregamento, os íons li são inseridos e desinsertidos de o eletrodo negativo e o eletrodo positivo, respectivamente. também durante o carregamento, li + é desintercalado a partir do composto de óxido de cátodo e inserido na rede do ânodo. o cátodo tem alto potencial e estado li pobre, enquanto o ânodo tem baixo potencial e estado rico de li. o processo é revertido durante a descarga, conforme ilustrado na figura 2 (tomando como exemplo um ânodo com grafite e um cátodo com um
composto de óxido em camadas).
Em comparação com outros tipos de baterias (por exemplo, niMh, nicd e ácido-chumbo), as baterias de li-ion têm as vantagens de uma elevada densidade de energia (devido à alta tensão de saída), alta eficiência, longa vida útil e amizade ambiental. tais atributos atrativos tornam as baterias de li-ion ubíquas em eletrônicos portáteis. As baterias de li-ion também são consideradas como uma das baterias de tração mais promissoras para os evs da próxima geração e plug-in hevs (Phevs). Com o rápido desenvolvimento de evs e Phevs, as tecnologias de bateria li-ion fizeram grandes progressos, fornecendo uma sólida base técnica e base industrial para aplicações de armazenamento de energia.
Além dos requisitos rigorosos de capacidade de energia e capacidade de energia, por exemplo, em evs e Phevs, espera-se que as aplicações comerciais em grande escala de tecnologias de bateria de li-ion exigem uma redução de preço substancial antes de entrar em aplicações de utilidade de grande escala amplamente.
A vida útil do ciclo da bateria também é um fator chave para a aplicação da rede e afeta a viabilidade econômica do armazenamento de energia. a maturidade da tecnologia e a produção de baterias de li-ion padronizadas também são importantes para a aplicação da rede porque determinam a complexidade do controle e manutenção.
Bateria NaS
A bateria NaS foi pioneira pela empresa ford Motor, com o objetivo de alimentar carros elétricos de modelos iniciais na década de 1960. Esta tecnologia foi posteriormente vendida para isoladores ngK, que demonstraram aplicações de bateria de NAS de escala de utilidade no final dos anos 90. Desde 2002, esse tipo de bateria foi comercializado e cresceu gradualmente para liderar o mercado em grande escala de armazenamento de energia para a rede elétrica.
Em oposição às baterias discutidas anteriormente, este tipo de bateria é composto de um ânodo de enxofre fundido, um cátodo de sódio fundido e eletrólito cerâmico sólido de alumina beta. os ciclos de carga e descarga devem ser operados a temperaturas superiores a 300 °C, de modo que o enxofre e o sódio existam em estado fundido. aquecimento externo é necessário para iniciar a operação, enquanto que geralmente não é necessário durante os processos de carga e descarga, pois o calor interno pode ser gerado por reações eletroquímicas. Toda a célula precisa ser arrumada em blocos para uma boa conservação do calor e também encerrado em uma caixa de isolamento de vácuo. o eletrólito é um isolador elétrico, permitindo que apenas iões de sódio, em vez de elétrons, passem por ele. No decurso da operação de descarga, os íons de sódio decorrentes de reações de oxidação na interface de alumina de sódio / beta passam pelo eletrólito e se fundem com o enxofre para formar pentasulfito de sódio (na2s5). Como na2s5 é imiscível com o enxofre remanescente, aparece uma mistura líquida de duas fases no cátodo.
Quando o enxofre livre disponível é completamente consumido, os polissulfetos de sódio monofásicos (na2s5-x) são gradualmente gerados com o aumento do teor de enxofre. o processo invertido corresponde às operações de cobrança.
O potencial intrigante da bateria nas vem da sua capacidade de fornecer alta densidade de energia (150-240 Wh / kg) e eficiência de ida e volta (75-90%), longa vida útil (2.500-
4.000 ciclos), e descarga profunda e rápida. a densidade de potência de uma bateria de nas é muito maior do que as suas contrapartes de ácido-chumbo e vrB, mas relativamente menores em comparação com as baterias de niMh e liion. Além disso, sua capacidade de trabalhar em altas temperaturas permite a operação em alguns ambientes quentes e difíceis.
Bateria de chumbo ácido
A bateria de chumbo-ácido é a bateria recarregável mais antiga: seu uso nos setores doméstico e industrial remonta a meados dos anos 1800. Em tal bateria, os eletrodos positivos e negativos são compostos separadamente de dióxido de chumbo e chumbo metálico, que são imersos em um eletrólito de ácido sulfúrico diluído. Existem dois tipos típicos, nomeadamente soluções de ácido-chumbo inundadas com ácido de chumbo e ácido selado com válvula-ácido (vrla) uma bateria inundada de chumbo-ácido é a menos dispendiosa das duas, mas geralmente requer pelo menos manutenção mensal para verificar e adicionar água destilada. Além disso, sua operação precisa ser realizada em locais ventilados porque produz inflamável
gases. Como uma solução de manutenção mais baixa, a bateria vrla usa uma válvula para minimizar a perda de água ao permitir a recombinação de hidrogênio e oxigênio.
As principais vantagens de usar baterias de chumbo-ácido são a alta eficiência energética, baixa taxa de auto-descarga e baixo custo inicial. no entanto, a sua promoção adicional para uso comercial sofre de algumas desvantagens técnicas óbvias, incluindo baixa profundidade de descarga (<20%), baixa vida útil do ciclo, baixa densidade de energia e taxa de carga lenta.
As baterias de chumbo-ácido ainda são empregadas principalmente nos casos em que a relação custo-eficácia, confiabilidade e tolerância ao abuso são críticas, mas a densidade de energia e a vida útil não são tão importantes. tais aplicações incluem partida automotiva, iluminação e ignição, fonte de alimentação ininterrupta (UPs) e balanceamento renovável.
Bateria NiMH
Uma bateria NiMh consiste em um elétrodo positivo baseado em
níquel-oxihidróxido, um eletrodo negativo a base de cádmio metálico e um
eletrólito alcalino (geralmente hidróxido de potássio). Como uma atualização
para sua contrapartida de níquel cadmio (nicd), a bateria NiMh possui maior
potência /densidade de energia, percebe melhor amizade ambiental e é menos
propenso a sofrer efeito de memória. no entanto, sofre de várias desvantagens
técnicas, como alta taxa de auto descarga, vida útil limitada e baixa eficiência
colombiana (cerca de 65%). Além disso, sua capacidade de tolerar carga rápida e
sobrecarga é muito baixa. Particularmente durante o carregamento rápido, podem
ser geradas quantidades maciças de calor, e o acúmulo de hidrogênio pode causar
a ruptura celular, levando a uma decadência de capacidade considerável. as
estratégias de cobrança, portanto, devem ser meticulosamente projetadas.
Como uma célula recarregável de pequeno formato, a bateria NiMh foi particularmente aplicada para o uso portátil do consumidor. começou a tornar-se popular para os evs e os evs híbridos (hevs) nos anos 90 e 2000. Os evs de plug-in (por exemplo, evs de General Motors, o Ev Plus da Honda, o ford's ev, e o scooter Vectrix) adotaram pacotes de baterias niMh, como fizeram vários hevs, como o Toyota Prius, a visão de honda e o escape e o chevrolet do Ford. Híbridos de Malibu.
Como uma célula recarregável de pequeno formato, a bateria NiMh foi particularmente aplicada para o uso portátil do consumidor. começou a tornar-se popular para os evs e os evs híbridos (hevs) nos anos 90 e 2000. Os evs de plug-in (por exemplo, evs de General Motors, o Ev Plus da Honda, o ford's ev, e o scooter Vectrix) adotaram pacotes de baterias niMh, como fizeram vários hevs, como o Toyota Prius, a visão de honda e o escape e o chevrolet do Ford. Híbridos de Malibu.
A bateria li-ion é uma bateria recarregável avançada, comercialmente desenvolvida pela Sony no início da década de 1990. durante o carregamento, os íons li são inseridos e desinsertidos de o eletrodo negativo e o eletrodo positivo, respectivamente. também durante o carregamento, li + é desintercalado a partir do composto de óxido de cátodo e inserido na rede do ânodo. o cátodo tem alto potencial e estado li pobre, enquanto o ânodo tem baixo potencial e estado rico de li. o processo é revertido durante a descarga, conforme ilustrado na figura 2 (tomando como exemplo um ânodo com grafite e um cátodo com um
composto de óxido em camadas).
Em comparação com outros tipos de baterias (por exemplo, niMh, nicd e ácido-chumbo), as baterias de li-ion têm as vantagens de uma elevada densidade de energia (devido à alta tensão de saída), alta eficiência, longa vida útil e amizade ambiental. tais atributos atrativos tornam as baterias de li-ion ubíquas em eletrônicos portáteis. As baterias de li-ion também são consideradas como uma das baterias de tração mais promissoras para os evs da próxima geração e plug-in hevs (Phevs). Com o rápido desenvolvimento de evs e Phevs, as tecnologias de bateria li-ion fizeram grandes progressos, fornecendo uma sólida base técnica e base industrial para aplicações de armazenamento de energia.
Além dos requisitos rigorosos de capacidade de energia e capacidade de energia, por exemplo, em evs e Phevs, espera-se que as aplicações comerciais em grande escala de tecnologias de bateria de li-ion exigem uma redução de preço substancial antes de entrar em aplicações de utilidade de grande escala amplamente.
A vida útil do ciclo da bateria também é um fator chave para a aplicação da rede e afeta a viabilidade econômica do armazenamento de energia. a maturidade da tecnologia e a produção de baterias de li-ion padronizadas também são importantes para a aplicação da rede porque determinam a complexidade do controle e manutenção.
Bateria NaS
A bateria NaS foi pioneira pela empresa ford Motor, com o objetivo de alimentar carros elétricos de modelos iniciais na década de 1960. Esta tecnologia foi posteriormente vendida para isoladores ngK, que demonstraram aplicações de bateria de NAS de escala de utilidade no final dos anos 90. Desde 2002, esse tipo de bateria foi comercializado e cresceu gradualmente para liderar o mercado em grande escala de armazenamento de energia para a rede elétrica.
Em oposição às baterias discutidas anteriormente, este tipo de bateria é composto de um ânodo de enxofre fundido, um cátodo de sódio fundido e eletrólito cerâmico sólido de alumina beta. os ciclos de carga e descarga devem ser operados a temperaturas superiores a 300 °C, de modo que o enxofre e o sódio existam em estado fundido. aquecimento externo é necessário para iniciar a operação, enquanto que geralmente não é necessário durante os processos de carga e descarga, pois o calor interno pode ser gerado por reações eletroquímicas. Toda a célula precisa ser arrumada em blocos para uma boa conservação do calor e também encerrado em uma caixa de isolamento de vácuo. o eletrólito é um isolador elétrico, permitindo que apenas iões de sódio, em vez de elétrons, passem por ele. No decurso da operação de descarga, os íons de sódio decorrentes de reações de oxidação na interface de alumina de sódio / beta passam pelo eletrólito e se fundem com o enxofre para formar pentasulfito de sódio (na2s5). Como na2s5 é imiscível com o enxofre remanescente, aparece uma mistura líquida de duas fases no cátodo.
Quando o enxofre livre disponível é completamente consumido, os polissulfetos de sódio monofásicos (na2s5-x) são gradualmente gerados com o aumento do teor de enxofre. o processo invertido corresponde às operações de cobrança.
O potencial intrigante da bateria nas vem da sua capacidade de fornecer alta densidade de energia (150-240 Wh / kg) e eficiência de ida e volta (75-90%), longa vida útil (2.500-
4.000 ciclos), e descarga profunda e rápida. a densidade de potência de uma bateria de nas é muito maior do que as suas contrapartes de ácido-chumbo e vrB, mas relativamente menores em comparação com as baterias de niMh e liion. Além disso, sua capacidade de trabalhar em altas temperaturas permite a operação em alguns ambientes quentes e difíceis.
As principais ares de aplicação de armazenamento e sua relevância para o Brasil
Aplicações de Armazenamento no Brasil
Preços
Referências
[1] HU, Xiaosong et al. Technological developments in batteries: a survey of principal roles, types, and management needs. IEEE Power and Energy Magazine, v. 15, n. 5, p. 20-31, 2017.
[2] VENKATARAMAN, Sundar et al. Integrated wind, solar, and energy storage: Designing plants with a better generation profile and lower overall cost. IEEE Power and Energy Magazine, v. 16, n. 3, p. 74-83, 2018.
[3] HALL, Peter J.; BAIN, Euan J. Energy-storage technologies and electricity generation. Energy policy, v. 36, n. 12, p. 4352-4355, 2008.
[4] BUENO, A. F. M.; BRANDÃO, C. A. L. Visão geral de tecnologia e mercado para os sistemas de armazenamento de energia elétrica no Brasil. Associação Brasileira de Armazenamento e Qualidade de Energia, 2016.
[5] CURRY, Claire. Lithium-ion battery costs and market. Bloomberg New Energy Finance, v. 5, 2017.
[6] SCHMIDT, Oliver et al. The future cost of electrical energy storage based on experience rates. Nature Energy, v. 2, n. 8, p. 17110, 2017.
[6] SCHMIDT, Oliver et al. The future cost of electrical energy storage based on experience rates. Nature Energy, v. 2, n. 8, p. 17110, 2017.
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