Tecnologias para Armazenamento de Energia Elétrica

TAE

E

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

TAE

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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==⇒=

TAE

E

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

TAE

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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

EE

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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20-10-2016Portfólio_FAS 6

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

EE

20-10-2016Portfólio_FAS 10

– Supercondensadores (Ultracondensadores)

– Volantes Inerciais (flywheels)

– Células de combustível (hidrogénio)

Baterias

TAE

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20-10-2016Portfólio_FAS 11

BATERIAS (Acumuladores Eletroquímicos)TA

EE

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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20-10-2016 13

☺ 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

TAE

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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

TAE

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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

EE

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

TAE

E

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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20-10-2016 21

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

TAE

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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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20-10-2016 23

☺ 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

TAE

E

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

TAE

E

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:

TAE

E

20-10-2016 26

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

E

20-10-2016 27

� 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

TAE

E

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.

TAE

E

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

TAE

E

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 +

TAE

E

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

E

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

E

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

E

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

E

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

E

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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