Armazenamento de energia eléctrica (3ª parte)

artigo tĂŠcnico

armazenamento de energia elĂŠctrica 3.a PARTE Manuel Bolotinha L % L # 0 L M N O ;MP 0 Q'V!" J

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Na revista número 56 foram publicados os Capítulos 1 (Enquadramento do Tema) e 2 (Processos de Armazenamento de Energia). Na revista número 57 foram publicados os Capítulos 3 (Armazenamento por Bombagem de à gua), 4 (Armazenamento por Produção de HidrogÊnio e Ar Comprimido) e 5 (Armazenamento por Volante e InÊrcia).

A publicação do artigo conclui-se nesta edição número 58, com os Capítulos 6 (Baterias Convencionais), 7 (Baterias de Iþes de Lítio) e 8 (Condensadores e Super-condensadores).

6. BATERIAS CONVENCIONAIS 7

# 9:;;;

+6 co italiano Alessandro Volta inventou a pilha elĂŠctrica baterias de acumuladores convencionais sĂŁo utilizadas para armazenar energia elĂŠctrica em Corrente ContĂ­nua. < = > *

* = * ção, fundamentalmente, a trĂŞs tipos de casos: @ D 4= G @ Jorrente ContĂ­nua dos serviços essenciais das subestaçþes; @ sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) estĂĄticos, como fonte de alimentação de â&#x20AC;&#x153;backupâ&#x20AC;? em caso de falha de rede.

Carga Entrada de rede

42

Bateria

UPS EstĂĄtica

Figura 8. (VTXHPD VLPSOLͤFDGR GH XPD 836 HVW£WLFD

Com a tensĂŁo da rede presente, o alimenta as cargas atravĂŠs do ondulador e garante a

da bateria pode ser utilizada para fornecer a energia rida nos picos de consumo

falta de tensĂŁo, a bateria alimenta o ondulador e este garante o fornecimento de energia cargas.

7. BATERIAS DE IĂ&#x2022;ES DE LĂ?TIO As baterias de iĂľes de lĂ­tio(2)

energia elĂŠctrica em forma de energia electroquĂ­mica

na dÊcada de 90 do sÊculo passado, usam como electrólito um sal de lítio num solvente orgânico, um óxido metålico no cåtodo e carbono, designadamente a , no ânodo.

Tipicamente o electrĂłlito ĂŠ uma

, tais como o carbonato de etileno(3) e o carbonato de dietila !", com iĂľes de lĂ­tio. Habitualmente o cĂĄtodo ĂŠ constituĂ­do por fosfato de lĂ­tio-ferro, Ăłxido de lĂ­tio-cobalto ou Ăłxido de lĂ­tio-manganĂŞs.

Sendo em Corrente Contínua a energia produzida e armazenada numa bateria, para ligação rede elÊctrica # $

% inversor CC/CA e CA/CC, como se ilustra & ' * +

Rede elĂŠctrica

Transformador de potĂŞncia

Inversores CA/CC-CC/CA

Baterias de iĂľes de lĂ­tio

Figura 9. (VTXHPD VLPSOLͤFDGR GH OLJDŠ¡HV GH XP VLVWHPD GH DUPD]HQDPHQWR FRP EDWHULDV GH L¡HV GH O¯WLR

Uma UPS estĂĄtica ĂŠ, fundamentalmente, constituĂ­da por

; uma bateria; e um ondulador (conversor de Corrente ContĂ­nua em Corrente Alternada), como se ilustra na Figura 8.

(2)

(3)

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P W

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lítio (símbolo químico Li) Ê um elemento químico * grupo dos metais alcalinos, juntamente com o sódio (Na), o potåssio (K), o rubídio (Rb), o cÊsio (Cs) e o frâncio (Fr). Reagem facilmente com a ågua, formado hidróxidos e libertam hidrogÊneo.

carbonato de etileno ĂŠ um ĂŠster 0 *

reacção química entre um åcido com molÊculas de oxigÊnio e um ålcool 0 åcido carbónico e etilenoglicol (um ålcool produzido a partir do etileno, um hidrocarboneto) 1 +4 6 # C 3H4O3 .

carbonato de dietila ĂŠ um ĂŠster-carbonato de ĂĄcido carbĂłnico e etanol (ĂĄlcool etĂ­lico) e cuja fĂłrmula 6 # C5H10O3 .

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super-condensadores não utilizam os dielÊctricos sólidos convencionais, sendo constituídos por dois elÊctrodos imersos num electrólito composto por uma solução orgânica (ver ' *+/ 0 1 baterias, sendo portanto condensadores electroquímicos, contrariamente aos condensadores convencionais 2 electroeståticos.

super-condensadores 2 0 %

3 Super-condensadores de dupla camada, com elĂŠctrodos de carbono; Pseudo-condensadores, com elĂŠctrodos de Ăłxidos metĂĄlicos ou de polĂ­meros condutores; Condensadores hĂ­bridos

0 %

cåtodo Ê feito de carbono activado e o ânodo de carbono revestido com iþes de lítio.

load

(a)

(b) Stern layer 7 99 # Positively charge surface

dimensĂľes e forma, a energia elĂŠctrica armazenada ĂŠ tanto maior mais elevada for a capacidade do material dielĂŠctrico utilizado.

super-condensadores sĂŁo condensadores electroquĂ­micos

signação pelo facto de, para a mesma forma e dimensþes, terem uma capacidade muito

condensadores eletrolĂ­ticos.

os condensadores habituais, com menores dimensþes e massa (a relação por unidade de volume ou de massa entre a energia armazenada nos condensadores habituais e nos super-condensadores varia, de acordo com o material dielÊctrico utilizado entre 1 para 10 e 1 para 100).

baterias, os condensadores apresentam as desvantagens de terem períodos de utilização muito curtos, correspondentes ao tempo de descarga, causarem flutuaçþes de potência na rede elÊctrica (o

, provocando quedas de tensão e oscilaçþes de frequência), tensþes de utilização muito baixas (entre, aproximadamente, 2 V e 4V por unidade) e maiores dimensþes para o mesmo valor da

inadequados para o armazenamento de energia.

Contudo, os super-condensadores permitem reduzir as dimensĂľes das unidades de armazenamento, suportam melhor os ciclos de carga-descarga e podem contribuir para a

centrais eĂłlicas sofrem o efeito de rajadas de vento e as centrais fotovoltaicas sĂŁo afectadas pela existĂŞncia de nuvens.

Para alÊm da utilização em equipamentos electrónicos, como estabilizadores da tensão, as aplicaçþes típicas mais habituais dos super-condensadores são:

UPS estĂĄticas, em substituição das baterias de condensadores electrolĂ­ticos, reduzindo as suas dimensĂľes e os custos de manutenção e substituição e aumentando o tempo de vida Ăştil das baterias; Como energia de â&#x20AC;&#x153;backupâ&#x20AC;? para os actuadores das pĂĄs das turbinas eĂłlicas, para o ajuste da inclinação das pĂĄs em caso de falta da alimentação principal; Armazenamento de energia para os aparelhos de iluminação pĂşblica com lâmpadas LED de baixa potĂŞncia, alimentados individualmente por painĂŠis fotovoltaicos; Para a

nagem dos motores hĂ­bridos de veĂ­culos automĂłveis hĂ­bridos e gruas;

dos motores elĂŠctricos dos sistemas de metro ligeiro

utilização da linha de contacto (catenåria) nos centros históricos das cidades. Em algumas cidades alemãs e da China, em

! "# $ % & existem sistemas deste tipo.

Porous Separator 4

electrode electrode

anion

solvated cation IHP 6!

Figura 10. (VTXHPD VLPSOLͤFDGR GH XP VXSHU FRQGHQVDGRU

electrólito constitui a ligação condutora entre os dois elÊctrodos simÊtricos ou assimÊtricos

condensadores electrolĂ­ticos electrĂłlito ĂŠ o cĂĄtodo< super-condensadores electroquĂ­micos existem dois elĂŠctrodos separados por uma membrana permeĂĄvel aos iĂľes (separador).

Sendo C1 e C2 a capacidade dos elĂŠctrodos 9 circuito de condensadores em sĂŠrie, a capacidade total do condensador (C) ĂŠ calculada pela expressĂŁo: C = (C*.C2) / (C*+C2)

elĂŠctrodos serem simĂŠtricos ter-se-ĂĄ C1 = C2 C = 0,5C1; com elĂŠctrodos assimĂŠtricos se C1 >> C2 , entĂŁo 2 .

super-condensadores de dupla camada sĂŁo os mais utilizados, sendo os materiais mais usualmente utilizados nos elĂŠctrodos o carbono activado e, principalmente, o grafeno, uma forma cristalina do carbono.

A tecnologia dos super-condutores tem vindo a ser investigada para optimizar as baterias de iĂľes de lĂ­tio, tornando-as menos pesadas e menos volumosas, transformando os cobre em super-condensadores

' **<

Copper foil Polymer separator B D D

Figura 11. 6XSHU FRQGHQVDGRU HP FREUH

F G

1J

super-condutores sĂŁo indicadas nas Normas IEC/EN 62391, IEC 6257 e EN 61881.

F IEC/EN 62391

1J

super-condutores: Classe 1: â&#x20AC;&#x153;BackupK L 9 M Classe 2: Armazenamento de energia elĂŠctrica, principalmente para accionamento de motores com um perĂ­odo curto de utilização; Classe 3: Armazenamento de energia para aplicaçþes de potĂŞncia elevada com longos perĂ­odos de utilização; Classe 43 '

N 1J

valores da corrente elÊctrica, ou picos de corrente, para períodos curtos de utilização.