Hoje, quase todo mundo tem um telefone no bolso (smartphone, celular com câmera, tablet) que pode superar o desempenho do seu desktop doméstico, que você não atualiza há vários anos, em termos de desempenho. Cada gadget que você possui possui uma bateria de polímero de lítio. Agora a questão é: qual leitor se lembrará exatamente de quando ocorreu a transição irrevogável dos “discadores” para os dispositivos multifuncionais?
É difícil... É preciso forçar a memória, lembrar do ano em que você comprou seu primeiro celular “inteligente”. Para mim é por volta de 2008-2010. Naquela época, a capacidade de uma bateria de lítio de um telefone comum era de cerca de 700 mAh, agora a capacidade das baterias de telefone chega a 4 mil mAh.
Um aumento de 6 vezes na capacidade, apesar de, grosso modo, o tamanho da bateria ter aumentado apenas 2 vezes.
Como nós , as soluções de iões de lítio para UPS estão a conquistar rapidamente o mercado, apresentam uma série de vantagens inegáveis e (especialmente em uma sala de servidores).
Amigos, hoje tentaremos entender e comparar soluções baseadas em baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) e lítio-manganês (LMO), estudar suas vantagens e desvantagens e comparar entre si de acordo com uma série de indicadores específicos. Deixe-me lembrá-lo de que ambos os tipos de baterias pertencem a baterias de íon-lítio e polímero de lítio, mas diferem na composição química. Se você estiver interessado em uma continuação, por favor, embaixo do gato.
Perspectivas para tecnologias de lítio no armazenamento de energia
A situação atual na Federação Russa em 2017 foi a seguinte.
Utilizando a fonte: “Conceito para o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de eletricidade na Federação Russa”, Ministério de Energia da Federação Russa, 21 de agosto de 2017.
Como você pode ver, a tecnologia de íons de lítio naquela época estava na liderança na abordagem da tecnologia de produção industrial (principalmente a tecnologia LFP).
A seguir, vejamos as tendências nos Estados Unidos, ou mais precisamente, consideremos a versão mais recente do documento:
Referência: ABBM são matrizes de energia para fontes de alimentação ininterruptas, utilizadas na indústria de energia elétrica para:
- Reserva de energia elétrica para consumidores especialmente importantes em caso de interrupções no fornecimento de energia para necessidades próprias (SN) 0,4 kV em subestação (PS).
- Como um “amortecedor” para fontes alternativas.
- Compensação por falta de energia durante os picos de consumo para aliviar as instalações de geração e transmissão de eletricidade.
- Acúmulo de energia durante o dia quando seu custo é baixo (período noturno).
Como podemos ver, as tecnologias Li-Ion, a partir de 2016, mantiveram firmemente a posição de liderança e mostraram um rápido crescimento múltiplo tanto em potência (MW) como em energia (MWh).
No mesmo documento podemos ler o seguinte:
“As tecnologias de íons de lítio representam mais de 80% da potência e energia adicionadas geradas pelos sistemas ABBM nos Estados Unidos no final de 2016. As baterias de íon de lítio têm um ciclo de carga altamente eficiente e liberam a energia acumulada mais rapidamente. Além disso, possuem alta densidade de energia (densidade de potência, nota do autor) e altas correntes de saída, o que levou à sua escolha como baterias para eletrônicos portáteis e veículos elétricos.”
Vamos tentar comparar duas tecnologias de bateria de íon de lítio para UPS
Compararemos células prismáticas construídas na química LMO e LFP. São essas duas tecnologias (com variações como LMO-NMC) que são hoje os principais projetos industriais para diversos veículos elétricos e veículos elétricos.
Uma digressão lírica sobre baterias em veículos elétricos pode ser lida aquiVocê pergunta: o que o transporte elétrico tem a ver com isso? Deixe-me explicar: a disseminação ativa de veículos elétricos que utilizam tecnologias de íons de lítio já ultrapassou há muito a fase dos protótipos. E como sabemos, todas as tecnologias mais recentes chegam até nós de áreas novas e caras da vida. Por exemplo, muitas tecnologias automotivas vieram da Fórmula 1, muitas novas tecnologias entraram em nossas vidas a partir do setor espacial, e assim por diante... Portanto, em nossa opinião, as tecnologias de íons de lítio estão agora penetrando em soluções industriais.
Vejamos uma tabela comparativa entre os principais fabricantes, a química de baterias e as próprias empresas automotivas que estão produzindo ativamente veículos elétricos (híbridos).
Selecionaremos exclusivamente células prismáticas que se ajustem ao formato para uso em um UPS. Como você pode ver, o titanato de lítio (LTO-NMC) é um estranho em termos de energia armazenada específica. Restam três fabricantes de células prismáticas adequadas para uso em soluções industriais, particularmente baterias UPS.
Vou citar e traduzir o documento “Avaliação do ciclo de vida do eletrodo de lítio de longa vida para baterias de veículos elétricos - célula para ônibus LEAF, Tesla e VOLVO” (Original “Avaliação do ciclo de vida do eletrodo de lítio de longa vida para baterias de veículos elétricos - célula para LEAF , Ônibus Tesla e Volvo" datado de 11 de dezembro de 2017 de Mats Zackrisson. Ele examina principalmente os processos químicos em baterias de veículos, a influência das vibrações e das condições climáticas de operação e os danos ao meio ambiente. No entanto, há uma frase interessante em relação à comparação de duas tecnologias de baterias de íons de lítio.
Na minha tradução livre fica assim:
A tecnologia NMC apresenta menor impacto ambiental por quilômetro de veículo do que a tecnologia LFP com célula de bateria de ânodo metálico, mas é difícil reduzir ou eliminar erros. A ideia principal é esta: a maior densidade de energia do NMC resulta em menor peso e, portanto, menor consumo de energia.
1) Tecnologia LMO de célula prismática, fabricante , custou $ 400.
Aparência da célula LMO
2) Tecnologia LFP de célula prismática, fabricante , custou $ 160.
Aparência de uma célula LFP
3) Para efeito de comparação, vamos adicionar uma bateria reserva de aeronave construída com tecnologia LFP e a mesma que participou do escândalo sensacional , fabricante True Blue Power.
Aparência da bateria TB44
4) Para objetividade, vamos adicionar uma bateria UPS padrão
Aparência de uma bateria UPS clássica
Vamos colocar os dados de origem em uma tabela.
Como podemos ver, de fato, as células LMO têm a maior eficiência energética; o chumbo clássico é pelo menos duas vezes mais eficiente em termos energéticos.
É claro para todos que um sistema BMS para um conjunto de baterias de iões de lítio adicionará peso a esta solução, ou seja, reduzirá a energia específica em cerca de 20 por cento (a diferença entre o peso líquido das baterias e a solução completa tendo em conta os sistemas BMS, invólucro do módulo, controlador do armário de baterias). A massa dos jumpers, do interruptor da bateria e do gabinete da bateria é considerada condicionalmente igual para baterias de íon-lítio e para o conjunto de baterias de chumbo-ácido.
Agora vamos tentar comparar os parâmetros calculados. Neste caso, aceitaremos a profundidade de descarga para chumbo como 70% e para íon-lítio como 90%.
Observe que a baixa energia específica de uma bateria de aeronave se deve ao fato da própria bateria (que pode ser considerada um módulo) estar envolta em um invólucro metálico à prova de fogo, possuir conectores e um sistema de aquecimento para operação em condições de baixa temperatura. Para efeito de comparação, é fornecido um cálculo para uma célula da bateria TB44, do qual podemos concluir que as características são semelhantes às de uma célula LFP convencional. Além disso, a bateria da aeronave é projetada para altas correntes de carga/descarga, o que está associado à necessidade de preparar rapidamente a aeronave para um novo voo em solo e a uma grande corrente de descarga em caso de emergência a bordo, por exemplo, uma perda de energia a bordo
Aliás, é assim que o próprio fabricante compara diferentes tipos de baterias de aeronaves
Como vemos nas tabelas:
1) A potência do gabinete de baterias no caso da tecnologia LMO é maior.
2) O número de ciclos de bateria para LFP é maior.
3) A gravidade específica do LFP é menor; portanto, com a mesma capacidade, o gabinete da bateria baseado na tecnologia de fosfato de ferro-lítio é maior.
4) A tecnologia LFP é menos propensa à fuga térmica, devido à sua estrutura química. Como resultado, é considerado relativamente seguro.
Para aqueles que desejam entender claramente como as baterias de íons de lítio podem ser combinadas em um conjunto de baterias para funcionar com um no-break, recomendo dar uma olhada aqui.Por exemplo, este diagrama. Neste caso, o peso líquido das baterias será de 340 kg, a capacidade será de 100 amperes-hora.
Ou um circuito para LFP 160S2P, onde a massa líquida das baterias será de 512 kg e a capacidade será de 200 amperes-hora.
CONCLUSÃO: Apesar de as baterias com a química de fosfato de ferro-lítio (LiFeO4, LFP) serem maioritariamente utilizadas em veículos eléctricos, as suas características apresentam uma série de vantagens em relação à fórmula química LMO, permitem o carregamento com uma corrente mais elevada e são menos susceptíveis ao risco de fuga térmica. A escolha do tipo de bateria fica a critério do fornecedor de uma solução integrada pronta, que a determina de acordo com uma série de critérios, e não menos importante é o custo do conjunto de baterias como parte do UPS. Neste momento, qualquer tipo de bateria de iões de lítio ainda tem um custo inferior às soluções clássicas, mas a elevada potência específica das baterias de lítio por unidade de massa e as dimensões mais pequenas determinarão cada vez mais a escolha de novos dispositivos de armazenamento de energia. Em alguns casos, o menor peso bruto da UPS determina a escolha de novas tecnologias. Este processo ocorrerá completamente despercebido, e atualmente é dificultado pelo alto custo no segmento de baixo preço (soluções domésticas) e pela inércia de pensar na segurança contra incêndio do lítio entre os clientes que buscam as melhores opções de UPS no UPS industrial. segmento com capacidade superior a 100 kVA. O nível médio de potência do UPS de 3 kVA a 100 kVA pode ser implementado usando tecnologias de íons de lítio, mas devido à produção em pequena escala, é bastante caro e inferior aos modelos de UPS seriais prontos usando baterias VRLA.
Você pode saber mais detalhes e discutir uma solução específica usando baterias de íons de lítio para sua sala de servidores ou data center enviando uma solicitação por e-mail , ou fazendo uma solicitação no site da empresa .
TECNOLOGIAS ABERTAS – soluções abrangentes e confiáveis de líderes mundiais, adaptadas especificamente às suas metas e objetivos.
Autor: Kulikov Oleg
Engenheiro de Design Líder
Departamento de Soluções de Integração
Empresa de tecnologias abertas
Fonte: habr.com