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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 de energia típica (Wh/kg)
40
60
55
20
0
0 50 100 150 200 250
Chumbo-ácida
Níquel cádmio
Niquel hidreto metálico
Lítio-íon
Wh/kg
Densidade energética
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)
Bateria Bipolar: placa positiva e negativa
numa mesma estrutura
Baterias chumbo-ácidas avançadas
Bipolar
Chumbo-carbono
Chumbo-carbono
Baterias chumbo-ácidas avançadas
Vantagens
• Baixa emissão de gases
• Capacidade de absorver maiores
picos de corrente
• Requer menor demanda de
manutenção
• Tecnologia madura
Desvantagens
• Indicado operação em ambiente
climatizado
• Mais sensível às condições
operacionais, tais como tensão
elevada, temperatura, etc.
• Pode entrar em avalanche térmica
Bateria Zebra - Na/NiCl2
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 de níquel-sódio
Bateria níquel-sódio
Vantagens
• Possui sistema de monitoração e
gestão embutido na bateria (BMS)
• Requer pouca demanda de
manutenção
• Larga faixa de temperatura de
operação: -30oC a +60oC
• Mais resistente em operação em
temperatura elevada
Desvantagens
• Elevada autodescarga (1 semana)
• Tempo de recarga em torno de 8 a
12 horas
• Parte da energia da bateria é
utilizada para seu aquecimento
• Não é possível fazer correções das
baterias em campo
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
Bateria de lítio-íon
Células de lítio-íon
Novas gerações de cátodo
Novas gerações de ânodo
Enxofre (S) Silício (Si) Titanato
(Ti)
Estanho(Sn)
Limites operacionais
As células de lítio-íon necessitam
do controle eletrônico (BMS):
• Segurança
• Desempenho
“Pack” de bateria
Tampa
BMS
Caixa inferior
Caixa superior
Anéis de
espuma
Camisa de água
Células
Comparação entre as famílias de lítio-íon
Bateria de lítio-íon
• Alta densidade de energia → ocupa
pouco espaço
• Possui sistema eletrônico de controle e
monitoração embutido na bateria
• Suporta elevado picos de corrente
• Excelente desempenho em aplicações
de ciclagem
• Baixo tempo de recarga (1 a 3 h)
Desvantagens
• Imprescindível possuir BMS confiável e
com desempenho adequado
• Pequenos desvios da tensão de
operação pode reduzir sua vida útil →
retificadores tem que ser ajustados
adequadamente
• Não é possível fazer correções das
baterias em campo
Vantagens
Tendências futuras
Lítio-Ar
Litio/Ar Silício - Grafeno
Lítio-Enxofre
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
• Elevada autonomia, pode ser escalada
• Possui sistema de monitoração
embutido na bateria
• Menor impacto ambiental - não possui
metal pesado
Desvantagens
• Ocupa maior espaço
• Manutenção mais complexa
• 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
• Elevada autonomia
• Possui sistema de monitoração
embutido na célula
• Não necessita de recarga
Desvantagens
• Manutenção mais complexa
• Não suporta elevados picos de corrente
• Sistema de geração de hidrogênio
• 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
Bateria
Pb-ácida VRLA Na/NiCl2 Lítio-íon Fluxo
Vanádio
CaC
Tensão nominal
(V) 2,0 2,6 3,2 a 3,8 1,4 0,7 a 1,0
Densidade de energia
(Wh/kg) 25 a 50 90 a 150 100 a 200 10 a 20 5 a 10
Temperatura de
operação
(oC) - 10 a +40 - 30 a +60 -25 a +45 +10 a +40 -3 a +40
Eficiência
(%) 80-85 82-91 90-95 60-74 60-75
Vida cíclica
(ciclos) 500-2000 +4500 +5000 +10000 60.000 hs
Vida projetada
(anos) 10 +10 +20 10 a 15 5 a 10
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
