Tecnologias para Armazenamento de Energia Elétrica
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20-10-2016Portfólio_FAS 1
Energia Elétrica(TAEE)
Fernando Alves da Silva
• A maior parte da energia utilizada atualmente é energia armazenada : combustíveis fósseis, energia nuclear, hídrica,
• Energia armazenada (ou recolhida e armazenada) é cada vez mais necessária aos atuais dispositivos portáteis
Importância do Armazenamentode Energia Elétrica
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20-10-2016Portfólio_FAS 2
• O armazenamento é necessário para obter uma produção contínua a partir de fontes renováveis, mas de baixo ciclo de trabalho (solar, eólica, energia das ondas e marés)
• Armazenar poderá nivelar o diagrama de consumo diário, semanal ou anual (o eventual excesso de energia produzida em horas de vazio pode ser armazenado para consumo durante as horas de ponta)
• Energia =Trabalho = Força × Deslocamento ⇒
tIUEe =
• Energia elétrica=tensão elétrica U × corrente elétrica I × tempo t ⇒
• Tensão elétrica U (volt) é o trabalho por unidade de carga elétrica necessário para transportar uma certa carga elétrica,
ENERGIA ELÉTRICA
]s
m[kg[m]]
s
m[kg[J]�[m][N][J]
2
2
2==⇒=
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20-10-2016Portfólio_FAS 3
[ ][ ] [ ][ ] [ ]JsAsA
Jsegundoampere
coulomb
joule⇒
⇒
⇒= tIUEe
[ ][ ] [ ](C)coulomb(s)segundo(A)ampere ⇒⇒= tIQ
• Carga elétrica: quantidade de “eletricidade” Q (coulomb) transportada por uma corrente elétrica I (ampere) , num dado tempo t (segundo) ⇒
• Tensão elétrica ou “força eletromotriz” ou “diferença de potencial”⇒joule/coulomb⇒volt
• Potência= Energia/tempo ⇒ P=U I⇒ [W]
Rendimento:
POTÊNCIA ELÉTRICA
[ ][ ][ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ]Js[W]sAVsegundoamperevolt
[W]
⇒⇒⇒⇒=321
tIUEe
• [J]=[W] [s] unidade muito pequena à nossa escala
• 1 kJ= 1 kW s e 1 kW h=1000 W × 3600 s=3,6 MJ
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20-10-2016Portfólio_FAS 4
Rendimento:
• Armazenam-se Ea kWh ao ritmo Pa W
• Recuperam-se Er kWh ao ritmo Pr W
• A potência associada a uma máquina com binário Tm (N m) rodando à
velocidade angular ω (rad/s) pode exprimir-se em W, ou em HP (Horse Power)
[ ] kW74,0HP1,W ≈= ωmTP
As tecnologias de armazenamento de energia devem maximizar:
• a densidade específica de energia armazenada de [Wh/kg]
• a densidade específica de potência dP [W/kg]
• o rendimento ηe, quociente entre energia restituída Er e a armazenada Ea
Características das tecnologias de armazenamentoTA
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20-10-2016Portfólio_FAS 5
• o tempo de vida médio (número de ciclos de carga descarga)
E minimizar o custo!
[ ][ ][ ]kg
hWh/kgW
p
Ed a
e =[ ]
[ ][ ]kg
WW/kg
p
Pd a
P = [ ][ ]Wh
Wh
a
r
eE
E=η
Densidade de energia armazenada (kWh/kg)1kWh=3,6MJ
Tecnologia kWh/kg NotasUrânio (U235) 25x106 U238� 5,5x106
Hidrogénio líquido 38 34kWh a 700bar, 1,5kWh/dm3 gasoso
Gás natural liquefeito 17 11 kWh/m3 gasoso, 38kJ/dm3)
Gasolina 13,1 34MJ/dm3 , d=0,72Gasóleo 12,6 38MJ/dm3, d=0,85GPL (líquido) 12,8
Carvão 6,7
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Carvão 6,7
“Flywheel”, Silica fundida 0,9 r.p.m.>50000
“Flywheel” de carbono 0,2 r.p.m.>50000
“Flywheel” de Aço 0,05 r.p.m.<10000
Bateria Li-Ion 0,2 Li-Poly
Ar Comprimido 0,14 @300bar, 2kWh/m3
Bateria de chumbo 0,04
Hídrica (100m altura) 0,00027 0,27kWh/m3
Densidade de energia armazenada (kWh/kg)1kWh=3,6MJ
• 1kg de U enriquecido =100 toneladas de carvão=60 toneladas de petróleo,
há reservas de U para 10000 anos !)
Tecnologia kWh/kg NotasUrânio (U235) 25x106 U238� 5,5x106
Gasolina 13,1 34MJ/dm3 , d=0,72Carvão 6,7
Bateria Li-Ion 0,4 (2020) Li-Poly
Bateria de chumbo 0,04
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20-10-2016Portfólio_FAS 7
há reservas de U para 10000 anos !)
• 1 kg de gasolina contém energia equivalente à de 13,1/0,04=327 kg de 1 kg de gasolina contém energia equivalente à de 13,1/0,04=327 kg de 1 kg de gasolina contém energia equivalente à de 13,1/0,04=327 kg de 1 kg de gasolina contém energia equivalente à de 13,1/0,04=327 kg de baterias (Pb)!baterias (Pb)!baterias (Pb)!baterias (Pb)!
• EstimaEstimaEstimaEstima----se que em 2020 para armazenar a energia de 30 l de gasolina se que em 2020 para armazenar a energia de 30 l de gasolina se que em 2020 para armazenar a energia de 30 l de gasolina se que em 2020 para armazenar a energia de 30 l de gasolina sejam necessárias 30lsejam necessárias 30lsejam necessárias 30lsejam necessárias 30l××××0,72kg / l0,72kg / l0,72kg / l0,72kg / l××××13,1/0,4=707kg de baterias de Li13,1/0,4=707kg de baterias de Li13,1/0,4=707kg de baterias de Li13,1/0,4=707kg de baterias de Li----IonIonIonIon! ! ! !
• Um automóvel com depósito cheio contém 50 Um automóvel com depósito cheio contém 50 Um automóvel com depósito cheio contém 50 Um automóvel com depósito cheio contém 50 ××××0,720,720,720,72××××13,113,113,113,1≈≈≈≈ 471 471 471 471 kWhkWhkWhkWh ≈≈≈≈ 1,7 GJ 1,7 GJ 1,7 GJ 1,7 GJ • A bateria de 12V do automóvel armazena 12VA bateria de 12V do automóvel armazena 12VA bateria de 12V do automóvel armazena 12VA bateria de 12V do automóvel armazena 12V××××40Ah40Ah40Ah40Ah××××3600s3600s3600s3600s≈≈≈≈ 1,7MJ 1,7MJ 1,7MJ 1,7MJ • Mas só cerca de 15% da energia armazenada em gasolina é energia útil!Mas só cerca de 15% da energia armazenada em gasolina é energia útil!Mas só cerca de 15% da energia armazenada em gasolina é energia útil!Mas só cerca de 15% da energia armazenada em gasolina é energia útil!• As baterias de LiAs baterias de LiAs baterias de LiAs baterias de Li----IonIonIonIon de veículos elétricos armazenam cerca de 20kWhde veículos elétricos armazenam cerca de 20kWhde veículos elétricos armazenam cerca de 20kWhde veículos elétricos armazenam cerca de 20kWh
Energia e potência específicas de TAEE
Gasolina
BateriasFlywheels
Hidrogénio
Energia específica
100 Wh/kg
1 kWh/kg
10 kWh/kg
100 kWh/kg
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20-10-2016Portfólio_FAS 8
SMES
Supercon-densadores
Potência específica
Flywheels
Supercondensadores metal_óxido (previsto)
0,1 Wh/kg
1 Wh/kg
10 Wh/kg
Custo de tecnologias de armazenamento de energia
200
300
400
500
Fast Flywheels
Supercon-densadores
Euro/kWh
Baterias Li-Ion
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20-10-2016Portfólio_FAS 9
0
100
200
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
Flywheels
BateriasChumbo/ácido
Baterias Potência
Tempo de serviço (horas)
SlowFlywheels
Baterias Li-Ion
• Tecnologias de armazenamento de energia a
considerar:
– Baterias
– Supercondensadores (Ultracondensadores)
Tecnologias de armazenamentoTA
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– Supercondensadores (Ultracondensadores)
– Volantes Inerciais (flywheels)
– Células de combustível (hidrogénio)
Baterias
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BATERIAS (Acumuladores Eletroquímicos)TA
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20-10-2016Portfólio_FAS 12https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12279566
Baterias recarregáveis
☺ Carga da bateria em Ah, energia em Wh
☺ Tecnologia mais consolidada e mais usada
☺ Tempos de resposta de ms
☺ Pequenas perdas em prontidão
☺ Aplicações estacionárias -> Pb (peso não é impeditivo)
☺ Li-polymer, Li-ion, NiMH para
� Testes de fiabilidade demoram anos
� Eficiência da transferência de energia alta mas fortemente dependente da tecnologia
� Baixo valor da potência de pico
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☺ Li-polymer, Li-ion, NiMH para portabilidade
Exemplo 1: E se funcionássemos a Eletricidade ?
• 1 pessoa gasta ≈≈≈≈ 2500 kcal/dia �2500××××103××××4,187J/cal ≈≈≈≈10,5 MJ10,5 MJ10,5 MJ10,5 MJ ≈≈≈≈ 2,9 2,9 2,9 2,9 kWhkWhkWhkWh• Equivalente a máquina térmica de potência média 2,9 2,9 2,9 2,9 kWhkWhkWhkWh/24h/24h/24h/24h≈≈≈≈ 120W120W120W120W• Sendo o rendimento da alimentação 40%, e o da eletricidade 80%, a
bateria de Li necessária teria 0,400,400,400,40××××2,92,92,92,9kWhkWhkWhkWh/(0,80/(0,80/(0,80/(0,80××××0,30,30,30,3kWh/kgkWh/kgkWh/kgkWh/kg) ) ) ) ≈≈≈≈ 4,8 kg4,8 kg4,8 kg4,8 kg(“Cyborg” com ortótese e bateria nas costas)
• Teria de carregar a bateria todos os dias !
• A carga da bateria só custaria 2,9kWh2,9kWh2,9kWh2,9kWh××××0,20,20,20,2€€€€////kWhkWhkWhkWh = 0,58= 0,58= 0,58= 0,58€€€€
58 cêntimos/dia em alimentação!58 cêntimos/dia em alimentação!58 cêntimos/dia em alimentação!58 cêntimos/dia em alimentação! ( 0,58€/10€≈0,06, cerca de 6% do
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20-10-2016Portfólio_FAS 14
58 cêntimos/dia em alimentação!58 cêntimos/dia em alimentação!58 cêntimos/dia em alimentação!58 cêntimos/dia em alimentação! ( 0,58€/10€≈0,06, cerca de 6% do
custo da comida)
• E dispunha de uma potência máxima de 4,8kg4,8kg4,8kg4,8kg××××400W/kg 400W/kg 400W/kg 400W/kg ≈≈≈≈ 1,91,91,91,9 kWkWkWkW• Um atleta consegue disponibilizar Um atleta consegue disponibilizar Um atleta consegue disponibilizar Um atleta consegue disponibilizar 400W , 600W no máximo !400W , 600W no máximo !400W , 600W no máximo !400W , 600W no máximo !• Usando baterias de Chumbo, a ortótese seria viável ?Usando baterias de Chumbo, a ortótese seria viável ?Usando baterias de Chumbo, a ortótese seria viável ?Usando baterias de Chumbo, a ortótese seria viável ?
Tecnologia Densidade energia (kWh/kg) Densidade potência (kW/kg)Bateria Li-Ion 0,15 - 0,3 0,2 - 0,4
Bateria Pb 0,03 - 0,05 0,07
Características de alguns tipos de células de baterias
Tecnologia da célula Tensão trabalho [V]
Densidade de Energia Wh/kg
Densidade de Potência W/kg
Rendimento (Wh out/ Wh in); Auto-descarga %/mês
Potência Máx
Nº de recargas, Temperatura
Lead Acid 2.1 40 (30-55) 70 >80% 5% 500-1000
Nickel Cadmium 1.2 60 (40-80) 150 75% 500-2000
Nickel Iron 1.2 55 (50-60) 100 65% 1500-2000
Nickel–Metal Hydride 1.2 80 (60-100) 220 70% 750-3000
Sodium Sulfur (NaS) 1.7 to 2.5 200 (100-240) 200 80% >800@300-350 ºC
Lithium Iron Sulfite (LiFeS)
1.2 to 1.5 400 200 80% >1000@ 400-450 ºC
Lithium-ion 3.6 (3.1 to 150 - 500 (thin film) 250 - 450 80-90% 10% 500-2000
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20-10-2016Portfólio_FAS 15
Lithium-ion LiCoO2, LiMn2O4
3.6 (3.1 to 4.3)
150 - 500 (thin film) 250 - 450 80-90% 10% 500-2000
Lithium Iron Phosphate LFP, LiFePO4 , natural mineral Olivine
3.3 2.8 to 3.6 LiFeYPO4
200 - 570 (thin film) 300 90-95% >2000
Carga em minutos
LiPolymer lithium-salt in polyethylene oxide
3.7 (2.7 to 4.23)
<200 (130-200) 1000-7500 W/kg
90% MW >1200
5 min 90%
Lithium-air 3 (2 to 3.5) Tmax 12 kWh/kg 1kWh/kgaté 2.5kWh/kg
65%
De 30 até 570Wh/kg, 400W/kg máx, 200-600€/kWh, Rendimento 70 a 95%
Exemplo 2: uso de baterias em automóveis
Um automóvel necessita de fornecer uma energia de cerca de 15 kWh para percorrer 160 km. Para atingir uma desempenho “aceitável” (120km/h) precisa de debitar uma potência mecânica de 20 HP (≈≈≈≈ 15 kW).
A energia recuperada de baterias é 75% da armazenada e o rendimento do processo de conversão da energia das baterias e sistema de tração elétrica, até à estrada é cerca de 80%.
• A energia a fornecer é 15 kWh representando 0,75××××0,80= 60% da energia armazenada. Então deve armazenar-se 15 kWh/0,6 = 25 kWh .
• A energia específica de baterias Li-ion conseguida em automóveis é 0,1 kWh/kg
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20-10-2016Portfólio_FAS 16
• A energia específica de baterias Li-ion conseguida em automóveis é 0,1 kWh/kg
• Então, são necessários 25 kWh/0,1 kWh/kg = 250 kg de baterias Li-Ion
• Considerando as necessidades de potência: 15kW/0,8 = 18,8 kW
• A potência específica das baterias Li-Ion é cerca de 0,3 kW/kg
• Então seriam necessários apenas 18,8 kW/0,3 kW/kg ≈≈≈≈ 63kg de baterias
• Conclusão: os requisitos de energia são mais severos do que os de potência.
• A potência máxima do automóvel poderá ser 250kg××××0,3 kW/kg=75kW≈≈≈≈101HP
• É desejável que a tecnologia das baterias seja melhorada.
• Comparar com BMW i-3, Li-ion, 360V, 22kWh, 230kg, 190km, 125kW (170 HP), 250Nm, 150km/h, ≈≈≈≈7h carga, ≈≈≈≈30min 80% carga rápida.
Baterias em Veículos Automóveis
Modelo Motor Power/Torque
Bateria Energia, Peso Vel. Max
Autono-mia
€/100km
Miev Synchronouspermanent magnet(PM)
64 HP (47kW)180 Nm
Li-ion, 330V4 cells serial /mod, 22 modules, 7h
16 kWh /200kg80Wh/kg
130km/h 130km80-90
2-3€80g/km
Leaf 107 HP (80kW) 280 Nm
Li-ion 4 cells/mod, 48 modules, 80% in 30min 50kW
24kWh/240kg100Wh/kg
140km/h 160 km100-200
VW e-Up
Synchronous
PM
82 HP, 210Nm
Li-ion, 374V, 204 cells, 17 modules,
18.7kWh/230kg81Wh/kg
130km/h 160km 12kWh/100km
BMW Synchronous 170HP, 96 series cells/ 22kWh/230kg 150km/h 190km
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20-10-2016Portfólio_FAS 17
BMW i3
SynchronousPM
170HP, 250Nm
96 series cells/ 360V
22kWh/230kg95Wh/kg
150km/h 190km130km
TESLA Electric 225kW 100km per recharge hour
60-85 kWh 200km/h 400km Automotive grade Li-Ion
Ampera/Volt
ElecHybride 150HP Li-ionCarga 6h
16 kWh + 35 dm3 gasoline
160km/h 64km/400km<80km
65% use to long life, η=87%
tPrius Parallel hybrid
136HP+50kW
Panasonic NiMH,Li-ion 4,5kWh 600 cells 30k€ 50km
1,3kWh 180km/h 2km
Bus 2500 EL
SynchronousPM+ 2 speed gear
150 kW 7 modules Li-ion 400 V, charge 12h at 10kW or 4h a 62kW
150 kWh 1800kg,83Wh/kg
60 km/h 100km to 150km, 62 places
CaetanoBus
Baterias de Li-Ion em automóveisTA
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20-10-2016Portfólio_FAS 18
By Tennen-Gas - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8249799
Solar Impulse II• 17 248 células solares• 633 kg de baterias (25% do peso total)
Baterias de Li-Ion no Solar Impulse IITA
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20-10-2016Portfólio_FAS 19
Supercondensadores
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20-10-2016Portfólio_FAS 20
Supercondensadores (SC) e Condensadores
[ ](F)][farad
V
[C]
C
J
[C]⇒⇒
⇒==
U
tI
U
QC
• Capacidade C do supercondensador com carga Q
• Energia armazenada E no supercondensador com carga Q (Q=CU)
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2500 F (7200 J)
160x60x60 mm (720 g)
2
2
1
2
1
2
1CUUCUQUEa ===
• Energia armazenada Ea no supercondensador com carga Q (Q=CU)
Supercondensadores: características
Energia específica 1,5Wh/kg a 2Wh/kg
Potência específica 1kW/kg a 2kW/kg (condensadores 4kWh/kg)
Custo 200-400 €/kW
Rendimento
Auto-descarga
>95%
5% por dia
Placas rugosas
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20-10-2016Portfólio_FAS 22
Placas rugosas
Esponja deMenger
Supercondensadores (SC) e Condensadores
☺ Energia proporcional à capacidade e ao quadrado da tensão (E
a=1/2 C U2 )
☺ Capacidades de 3kF
☺ 1kWh; 50-100kW
☺ Tempos de resposta >µs
☺ Ciclos carga-descarga ilimitados
☺ Tempo de vida médio ≈ 10 anos
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☺ Tempo de vida médio ≈ 10 anos
☺ Rendimento elevado
� <2,7V por célula
� Auto-descarga significativa
� Controlo do estado de cada célula
� Taxa de carga rápida limitada
� Energia só durante poucos segundos até minutos
UPS com supercondensadores ESMA (1 MW durante 1 s, 100 kW durante 10 s)
Exemplo 3: Supercondensadores em restauradores dinâmicos de tensão
Um sistema de restauradores dinâmicos de tensão usa supercondensadores. Fornece uma potência de 60 kW durante 1 segundo. É possível extrair 75% da energia armazenada porque o conversor, de rendimento 90%, pode aceitar uma diminuição até 50% na tensão dos supercondensadores.
• A energia a entregar com rendimento 90% é 75% da armazenada. Então deve armazenar-se: 60 kW××××(1 s/3600 s) h/(0,75××××0,9) = 0,0247 kWh =24,7 Wh• A energia específica dos supercondensadores é cerca de 1,5 Wh/kg• Então, são necessários 24,7 Wh/1,5 Wh/kg= 16,5 kg de supercondensadores
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20-10-2016Portfólio_FAS 24
Energia específica 1,5Wh/kg a 2Wh/kg
Potência específica 1kW/kg a 2kW/kg (condensadores 4kWh/kg)
• Então, são necessários 24,7 Wh/1,5 Wh/kg= 16,5 kg de supercondensadores• Para satisfazer também as necessidades de potência: 60kW/0,9 = 66,7 kW• A potência específica destes supercondensadores é 1,5 kW/kg• Considerando a potência seriam necessários mais supercondensadores
66,7kW/1,5 kW/kg ≈≈≈≈ 44,5 kg
• Conclusão: Neste caso, os requisitos de potência são mais severos do que os de energia. • Uma solução poderia passar por colocar condensadores em paralelo com supercondensadores.
Volantes InerciaisFlywheels
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20-10-2016Portfólio_FAS 25
Flywheels
Volantes Inerciais (Flywheels)
22
2
1ωMRkE ia =
• Energia cinética Ea armazenada numa massa M (kg) e raio R (m),
girando à velocidade angular ωωωω (rad/s)
ki é a constante inercial, dependente da forma da massa girante:
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massa girante:• Roda com massa na periferia (pneu mota); ki=1• Disco sólido de espessura uniforme; ki= 1/2• Esfera sólida; ki= 2/5• Casca esférica; ki= 2/3• Cilindro fino; ki= 1/2
☺ Energia proporcional ao quadrado de ωωωω☺ Tempo de vida médio muito elevado☺ Em geral, requerem menores volumes do que
baterias ou supercondensadores, para igual energia armazenada
F1 KERS
Volantes Inerciais (Flywheels): desafios
• Força centrifuga Fc atuando na massa M (kg) de raio R (m)
proporcional ao quadrado da velocidade angular ωωωω (rad/s)
� Custo dos materiais do rotor e
2ωMRFc =
TAE
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� Custo dos materiais do rotor e
rolamentos levitação magnética
� Custo do contentor de vácuo
� Custo do motor gerador elétrico
� Custo dos supercondutores
� Efeito giroscópio
� Produção em série com
qualidade
� Redução do peso
Volantes Inerciais (Flywheels): características
Energia específica 5Wh/kg (slow steel) to 900Wh/kg (fast quartz)
Potência específica 1- 50 kW/kg, 300kW-2MW, Power/Energy>100
Custo 400-5000€/kW
Rendimento
Auto-descarga
90-95%
De 2% por dia, até 100% por dia
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20-10-2016Portfólio_FAS 28
• 15 l ×××× 0,72 0,72 0,72 0,72 kg/l ×××× 13,1 kWh/kg ≈ 140 kWh
• O motor térmico tem rendimento cerca de 15% --> 21 kWh de energia útil • O sistema de tração do automóvel equipado com Flywheel poderia ter
rendimento global de 70%. A energia a armazenar será 21/0,7 ≈ 30 kWh ≈
108MJ • Ea= ½ ki M R2 ωωωω2. Para esta flywheel tem-se ki= ½ ;
Exemplo 4: Flywheels em automóveis
Determinar a velocidade de rotação ωωωω de uma flywheel, usada num automóvel, com raio 50 cm e massa 140 kg para armazenar energia igual à contida em 15 litros de gasolina.
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20-10-2016
• Ea= ½ ki M R2 ωωωω2. Para esta flywheel tem-se ki= ½ ;
• Velocidade de rotação da Flyweel
• Este ωωωω corresponde a 3513/(2××××pi)= 559 rps ou 559 rps××××60 s ≈ 33,5k rpm• A densidade de energia armazenada é 30 kWh/140 Kg ≈ 0,21 kWh/kg• Esta densidade excede a possível no aço e é próxima da possível em
flywheels de fibra de carbono (0,2 kWh/kg)Deverá ser usada uma flywheel rápida em carbono.
Portfólio_FAS 29
Energia específica 5Wh/kg (slow steel), 0,2 kWh/kg (carbon fiber) até 0,9 Wh/kg (fast quartz)
( )rad/s3513
5,01405,0
10108222
6
2=
××
××==
RMk
E
i
aω
Pilhas de CombustívelFuel - cells
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20-10-2016Portfólio_FAS 30
Fuel - cells
Pilha de combustível: princípio de funcionamentoO Hidrogénio como vector de armazenamento
Combustível (HIDROGÉNIO)
Ânodo: 2H2→→→→4H+ + 4e-
4e-Ânodo (Carbono poroso +
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20-10-2016J. Fernando Silva, 20-10-2016
SAE_SET_Dez-09
Cátodo: 4H+ + 4e- + O2 →→→→ 2H2O + calor
4H+4e-
1) Ânodo: 2H2→→→→4H+ + 4e-
2) 4H+ →→→→ cátodo via PEM3) 4e- →→→→ cátodo (via circuito exterior) 4) Cátodo: 4H+ + 4e- + O2 →→→→ 2H2O + calor
Ânodo (Carbono poroso + catalizador)
PEM (“Proton Exchange Membrane”)
Cátodo (Carbono poroso + catalizador)
Oxidante (OXIGÉNIO)
Pilha de combustível: características
Energia e potência
específica
400Wh/kg @ 500W/kg
600Wh/kg @ 300W/kg
800Wh/kg @ 200W/kg
Tempo de vida médio 1600h/membrana (PEM)
Tempo de resposta Alguns segundos
Rendimento
Auto-descarga
45-65%
Pequenas perdas
TAE
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20-10-2016Portfólio_FAS 32
Pilha de combustível: vantagens e desvantagens
☺ Convertem hidrogénio e oxigénio em
água, electrões e calor
☺ Reversibilidade
☺ Energia disponível (tanque de
hidrogénio) e potência (área de
placas) independentes
☺ Hidrogénio não poluente, transporte
“pipe-line”
� Troca de protões através de uma
membrana não condutora de electrões
(PEM) na presença de catalisadores
� Materiais e solução de compromisso para
reversibilidade (Electrólise)
� Rendimento médio ou baixo (65%-45%)
decrescendo com o aumento de potência
� Custo, perigo de explosão
TAE
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20-10-2016Portfólio_FAS 33
http://spectrum.ieee.org/aerospace/aviation/how-i-designed-a-practical-electric-plane-for-nasa
Pilha de combustível no projeto de aeronavesTA
EE
20-10-2016Portfólio_FAS 34http://spectrum.ieee.org/aerospace/aviation/how-i-designed-a-practical-electric-plane-for-nasa
Pilha de combustível em aeronaves
Avião de referência Cirrus SR22
• Vel cruzeiro 330 km/h
• Raio ação 1482 km
• 231 kW / 187kg
• 25% rendimento
• 275 kg de combustível
• 4 lugares
• 500 000 $US
“Vapor” aircraft
• Vel cruzeiro 278 km/h (-30% potência)
• Raio ação 1480 km
• 120 kW (2 motores elétricos)
• Melhor aerodinâmica (-27% consumo)
• Hydrogen fuel cells, proton-exchange-
membrane, 800 Wh/kg, rendimento 55%
• 25% da energia gasta no Cirrus SR22
TAE
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20-10-2016Portfólio_FAS 35
• 500 000 $US
http://spectrum.ieee.org/aerospace/aviation/how-i-designed-a-practical-electric-plane-for-nasa
• 25% da energia gasta no Cirrus SR22
• Redução do ruído de 92 dB para 76 dB
• 500 000 $US
Conclusão
Baterias• Pb - Instalações estacionárias para alimentações de emergência e nivelamento
do consumo de energia elétrica
• Li-Ion para portabilidade
Supercondensadores• Para alta potência de curta duração
• Podem auxiliar baterias se a potência for determinante
“Flywheels”
TAE
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20-10-2016Portfólio_FAS 36
“Flywheels”• Rotor de sílica fundida pode armazenar 25 vezes mais energia por kg que
baterias de Pb
• Necessita de otimizar o quociente energia/massa (dependente de materiais)
Pilhas de combustível• Muito alta densidade de energia por kg de hidrogénio
• Podem substituir s atuais baterias (maior densidade específica)
Exercício
Uma fonte de alimentação de emergência deve poder fornecer uma potência de 60 kW durante 15 minutos. Só é possível recuperar 75% da energia armazenada e o rendimento do conversor de potência é 90%.Colocar os valores numéricos, fazer os cálculos e tirar conclusões.
•A energia a recuperar é ηηηηe % da armazenada. Então deve armazenar-se:P kW××××(min/(min/h)) /(ηηηηe××××ηηηηP) = Ea kWh•Da tabela a energia específica das baterias de Pb é de kWh/kg •Para satisfazer as necessidades de energia são necessários Ea/de = pBatE kg de baterias de Pb•Se instalarmos baterias para satisfazer também as necessidades de potência:
TAE
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20-10-2016Portfólio_FAS 37
•Se instalarmos baterias para satisfazer também as necessidades de potência:P kW/ηηηηP = Pa kW •Da tabela a potência específica das baterias de Pb é dP kW/kg •Então seriam necessários Pa/dP ≈≈≈≈ pBatP kg .•Conclusão: ………………………………………………………………………….
Tecnologia Densidade energia (kWh/kg) Densidade potência (kW/kg)Bateria Li-Ion 0,3 0,4
Bateria Pb 0,04 0,07
[ ][ ][ ]kg
hWh/kgW
p
Ed a
e = [ ][ ]
[ ]kg
WW/kg
p
Pd a
P =[ ][ ]Wh
Wh
a
r
eE
E=η
[ ][ ][ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ]Js[W]sAVsegundoamperevolt
[W]
⇒⇒⇒⇒=321
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