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Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - Cepel Brasil Solar Power| jun 18

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica

Pesq. Marco Antonio Galdino

Pesq. Jose Geraldo de Melo Furtado

CEPEL/DME – Depto. de Materiais, Eficiência Energética e Geração Complementar

Tecnologias de Baterias de Lítio

utilizadas em Sistemas

Fotovoltaicos: Tendências e Perspectivas


Armazenamento Energético em Baterias: Tecnologias e características


TECNOLOGIA Vantagens Desvantagens

Pb - H2SO4

Li - Íon

Ni - Cd

Ni/NaCl

NaS

Metal-Ar

Fluxo Redox (BFR)

Custo, base consolidada/experiência,

reciclagem

Baixa densidade energética,

índice de falhas, quest. ambiental

Elevada densidade energética,

reduzida manutenção, alto

desempenho

Sistema de proteção e segurança

contra sobrecarga, envelhecimento

e degradação, alto custo

Carga rápida, capacidade para

muitos ciclos, disponível em

diversos tamanhos

Baixa densidade energética, efeito

memória, autodescarga,

quest. ambiental

Maior vida útil, melhor desempenho

em ciclos, ambientalmente correta,

segurança

Opera em alta temperatura (270-

350 0C), alta Rinterna, mercado

fechado

Elevadíssima densidade energética,

alta vida útil, ambientalmente correta

Muito sensível as condições

ambientais, controle de potência

e ciclos

Sistemas auxiliares são

complexos, sistema

gerenciamento, altos custos

Principais Tecnologias de Baterias

Elevada vida útil, alta densidade

energética, Segurança


Principais Tecnologias de Baterias


Lítio – Li3

• Grupo IA – metal alcalino

• elemento sólido menos denso - 0,53 g/cm3 @ 20ºC

• potencial de redução -3,045V (menor potencial entre os elementos)

Lítio - propriedades

• se oxida em contato com o O2

• bastante reativo, reage com a água

• Corrosivo, não deve ter contato com a pele


Baterias de Lítio-íon

Li no

eletrodo

Li no

eletrodo


Baterias de Lítio-íon - materiais


Família (subtecnologias) de Baterias de Lítio:

Principais tipos e Aplicações

» Lítio Cobalto (LCO) – LiCoO2: eletrônicos

» Lítio Polímero (LiPo): eletrônicos

» Lítio Níquel Cobalto Alumínio (NCA) – LiNiCoAlO2: automotivo,

estacionário

» Lítio Manganês Espinélio (LMO) - LiMn2O4: automotivo, estacionário

» Lítio Níquel Manganês Cobalto (NMC) – LiNiMnCoO2: automotivo,

estacionário

» Lítio Ferro Fosfato (LFP) – LiFePO4: automotivo, estacionário

» Lítio Titanato (LTO) – Li4Ti5O12: automotivo, ônibus

» Lítio Enxofre (LiS): eletrônicos (equip. e dispositivos), aeroespacial

» Lítio Ar (LO): todas aplicações

» Lítio Capacitor (LiC): veículos stop-start, empilhadeiras

Atualmente

são

consideradas

os principais

tipos de

Baterias

de Li-íon


Baterias de Lítio-íon – potencial

Fonte: adaptado de Michael Höckel, Univ. Téc. Berna,

Lithium-ion batteries: types and systems, 2009


• Suportam altas taxas de carga/descarga e descarga profunda

• Vida cíclica de 3 mil ciclos em descarga profunda

• Podem explodir/incendiar, por isso, em princípio, necessitam de controladores de carga sofisticados BMS – battery management system

• episódios recorrentes de fogo em baterias de Li de smartphones

Baterias de Lítio - características


Comparação entre as cinco principais

subtecnologias de Baterias de Li-íon

São estes os principais parâmetros para escolha/definição de aplicação para as baterias: Custo, Vida útil, Energia específica, Potência específica, Desempenho e

Segurança.


Baterias de Lítio - SFCRs Residenciais com armazenamento

Sistema Tesla PowerWall

Fonte: Photon, 2015

“prossumager”


SFCRs Residenciais com armazenamento

Sistema Tesla PowerWall

• No mercado (exterior) desde abr/15;

• Baterias de Li – 7kWh e 13,5kWh, podendo ser associadas em paralelo;

• Custo 7kWh: US$5.900 – US$842/kWh e US$437/kWh;

• Inversor bidirecional

• Podem permitir o gerenciamento da energia por parte do consumidor

• Armazenamento deste tipo perfaz 66MW nos EUA, sendo 90% na Califórnia (SFCRs na California: 800 mil sistemas, 6,5GWp)

• Havaí, Alemanha

Fonte: BYD, 2015


connected to the grid / optimize self-consumption

stand-alone / back-up for grid failure

SAE com base em baterias de Li-íon

para armazenamento da energia

gerada em sistemas fotovoltaicos.

Projeto “Sol-ion” (França e Alemanha)

Geração fotovoltaica (5 kWp) e

armazenamento em baterias

de Li-íon (8,8 – 13,2 kWh)

para aplicação em

sistema isolado.

SFCRs Residenciais com armazenamento


Nove tecnologias de Armazenamento de Energia

(1) Bombeamento de água (ou UHR - Usinas Hidrelétricas Reversíveis);

(2) Ar comprimido (CAES, Compressed Air Energy Storage);

(3) Volantes de Inércia (Flywheels);

(4) Baterias (Pb, Li, Na);

(5) Ciclos do hidrogênio;

(6) Supercapacitores;

(7) Bobinas supercondutoras (SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage);

(8) Métodos de armazenamento térmico;

(9) Processos termoquímico e fotoeletroquímico de produção de intermediários energéticos e combustíveis secundários.

Armazenamento de Energia

Fonte: Relatório Técnico Cepel DTE-7895/2016


Armazenamento de energia

Principais funções do armazenamento

• Redução da intermitência das fontes de energia renováveis

• Suprimento de energia durante falhas/desligamentos (nobreak)

• Reforço no suprimento de energia em horários de pico

• Regulação de frequência etc.

Armazenamento de energia nos EUA em baterias

grande porte: 708MW/867MWh (final 2017), sendo

~50% na California


• A importância da Integração de Fontes Renováveis de Energia e elementos/sistemas de armazenamento de energia (SAE) vem crescendo continuamente nos últimos anos.

• Em função da intermitência dos recursos energéticos renováveis (eólica e solar), a inserção dessas fontes em larga escala dependerá fortemente do armazenamento de energia.

• As atividades de pesquisa e desenvolvimento estão focadas na busca de eficientes tecnologias de armazenamento energético que apresentem perspectivas de redução de custos.

• As tecnologias de baterias têm apresentado papel de destaque no âmbito dos SAE, em especial a família das Baterias de Lítio-íon (BLi), que detém mais de 80% do mercado de baterias estacionárias.

• VEs usados como armazenamento quando estão conectados, baterias de VEs reaproveitadas como “second use”, quando sua capacidade se reduz 20%

Armazenamento de energia Tendências


Banco de Baterias de Li-ion de grande porte

Fonte: adaptado de Chistiane Gusman, Overview of Enel Activities in Energy Storage, April, 2016


Banco de Baterias de Li-ion de grande porte para SAE



O maior banco de baterias de Li do mundo é localizado na Austrália e foi construído pela Tesla com capacidade de 129MWh e potência de 100MW, tendo entrado em operação em dez/17


2 MW – 4 MWh Lithium Ferrous Phosphate

(LFP) Advanced Energy Storage

Santa Rita Jail Smart Grid - Alameda County RDSI CERTS Microgrid

Demonstration,

Dublin , California, EUA.



https://www.energystorageexchange.org/

Projetos com Baterias de Lítio-íon no Mundo (julho de 2018):

696 projetos, 3.682 MW instalados,

principalmente EUA, Alemanha, China, Reino Unido e Austrália.

Armazenamento de Energia Baterias de Lítio

https://www.energystorageexchange.org/


Baterias de Lítio-íon: Tendências Atuais

• A demanda por baterias de lítio-íon (BLi) tem crescido de forma significativa, acompanhada por redução de custos, impulsionada principalmente pelas aplicações em VEs e energias renováveis.

• A questão da garantia de fornecimento de Lítio (reservas, produção, preços) é fundamental (bem como de Co e Ni) para os mercados.

• As atividades de P&D sobre novos materiais para BLi têm sido significativas, com grande numero de patentes na área

• Incrementar capacidade de armazenamento e desempenho é

também importante em diferentes mercados (portátil, VEs, estacionário).

• Ainda o aperfeiçoamento do controle e segurança das BLi: BMS

(battery management system) para controle eletroquímico e gerenciamento eletrotérmico para evitar problemas de descontrole/colapso térmico (thermal runaway). Uso de novos materiais (novos catodos e coletores de corrente, eletrólitos não inflamáveis, etc.) para redução de riscos.


Tecnologias de AE e Perspectivas de Custos Possibilidades

para BLi


Tecnologias de AE e Perspectivas de Custos



• Chamada de P&D Estratégico No 21/2016 Aneel

Projeto Sinergia Hidrossolar

• UHE Itumbiara (MG/GO) – 2.082 MW

Usina de Furnas com maior incidência de irradiação solar

P&D Furnas - Cepel



• Planta FV 1 MWp

800 kWp instalação convencional no solo

200 kWp flutuante no reservatório da UHE (5 flutuadores de 40kWp)

• Banco de baterias Li 280kW/510kWh resposta rápida, flutuações (LiFePO4)

• Sistema H2: eletrolisador, compressor/reservatório (30-40bar), célula a combustível resposta lenta, noite

• Avaliação de diferentes estratégias de operação

P&D Furnas - Cepel


Obrigado pela atenção!

Equipe: Marco Antonio Galdino

Jose Geraldo de Melo Furtado

CEPEL/DME – [email protected]

mailto:[email protected]

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