Tecnologias de Baterias de Lítio utilizadas em Sistemas ... · • As atividades de P&D sobre...
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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
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Armazenamento Energético em Baterias: Tecnologias e características
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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
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Principais Tecnologias de Baterias
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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
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Baterias de Lítio-íon
Li no
eletrodo
Li no
eletrodo
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Baterias de Lítio-íon - materiais
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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
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Baterias de Lítio-íon – potencial
Fonte: adaptado de Michael Höckel, Univ. Téc. Berna,
Lithium-ion batteries: types and systems, 2009
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• 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
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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.
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Baterias de Lítio - SFCRs Residenciais com armazenamento
Sistema Tesla PowerWall
Fonte: Photon, 2015
“prossumager”
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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
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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
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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
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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
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• 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
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Banco de Baterias de Li-ion de grande porte
Fonte: adaptado de Chistiane Gusman, Overview of Enel Activities in Energy Storage, April, 2016
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Banco de Baterias de Li-ion de grande porte para SAE
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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
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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.
Banco de Baterias de Li-ion de grande porte para SAE
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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
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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.
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Tecnologias de AE e Perspectivas de Custos Possibilidades
para BLi
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Tecnologias de AE e Perspectivas de Custos
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Armazenamento de Energia
• 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
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Armazenamento de Energia
• 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
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Obrigado pela atenção!
Equipe: Marco Antonio Galdino
Jose Geraldo de Melo Furtado
CEPEL/DME – [email protected]