artigo tĂŠcnico
armazenamento de energia elĂŠctrica 3.a PARTE Manuel Bolotinha L % L # 0 L M N O ;MP 0 Q'V!" J M > & N
Na revista nĂşmero 56 foram publicados os CapĂtulos 1 (Enquadramento do Tema) e 2 (Processos de Armazenamento de Energia). Na revista nĂşmero 57 foram publicados os CapĂtulos 3 (Armazenamento por Bombagem de Ă gua), 4 (Armazenamento por Produção de HidrogĂŠnio e Ar Comprimido) e 5 (Armazenamento por Volante e InĂŠrcia). A publicação do artigo conclui-se nesta edição nĂşmero 58, com os CapĂtulos 6 (Baterias Convencionais), 7 (Baterias de IĂľes de LĂtio) 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 “backupâ€? em caso de falha de rede.
Carga Entrada de rede
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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•ES DE LĂ?TIO As baterias de iĂľes de lĂtio(2) energia elĂŠctrica em forma de energia electroquĂmica na dĂŠcada de 90 do sĂŠculo passado, usam como electrĂłlito um sal de lĂtio num solvente orgânico, um Ăłxido metĂĄlico no cĂĄtodo 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 ContĂnua a energia produzida e armazenada numa bateria, para ligação rede elĂŠctrica # $ % 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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lĂtio (sĂmbolo quĂmico Li) ĂŠ um elemento quĂmico * grupo dos metais alcalinos, juntamente com o sĂłdio (Na), o potĂĄssio (K), o rubĂdio (Rb), o cĂŠsio (Cs) e o frâncio (Fr). Reagem facilmente com a ĂĄgua, formado hidrĂłxidos e libertam hidrogĂŠneo.
carbonato de etileno ĂŠ um ĂŠster 0 * reacção quĂmica entre um ĂĄcido com molĂŠculas de oxigĂŠnio e um ĂĄlcool 0 ĂĄcido carbĂłnico e etilenoglicol (um ĂĄlcool 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 nĂŁo utilizam os dielĂŠctricos sĂłlidos convencionais, sendo constituĂdos por dois elĂŠctrodos imersos num electrĂłlito composto por uma solução orgânica (ver ' *+/ 0 1 baterias, sendo portanto condensadores electroquĂmicos, contrariamente aos condensadores convencionais 2 electroestĂĄticos. 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 % cĂĄtodo ĂŠ feito de carbono activado e o ânodo de carbono revestido com iĂľes de lĂtio.
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 dimensĂľes, terem uma capacidade muito
condensadores eletrolĂticos. os condensadores habituais, com menores dimensĂľes 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 dielĂŠctrico utilizado entre 1 para 10 e 1 para 100). baterias, os condensadores apresentam as desvantagens de terem perĂodos de utilização muito curtos, correspondentes ao tempo de descarga, causarem flutuaçþes de potĂŞncia na rede elĂŠctrica (o , provocando quedas de tensĂŁo e oscilaçþes de frequĂŞncia), tensĂľes de utilização muito baixas (entre, aproximadamente, 2 V e 4V por unidade) e maiores dimensĂľes 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 alĂŠm da utilização em equipamentos electrĂłnicos, como estabilizadores da tensĂŁo, as aplicaçþes tĂpicas mais habituais dos super-condensadores sĂŁo: 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 “backupâ€? 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 (catenĂĄria) nos centros histĂłricos das cidades. Em algumas cidades alemĂŁs 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
electrĂłlito constitui a ligação condutora entre os dois elĂŠctrodos simĂŠtricos ou assimĂŠtricos 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: “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 elĂŠctrica, ou picos de corrente, para perĂodos curtos de utilização.