Almacenamiento de Energía para el Transporte Eléctrico. Juan W. Dixon

Transcripción

1 Almacenamiento de Energía para el Transporte Eléctrico Juan W. Dixon Pontificia Universidad Católica de Chile

2 INTRODUCCION La energía eléctrica es fácil de transmitir, pero ha sido siempre difícil de almacenar. En este presentación se muestran algunas formas de almacenamiento que pueden al mismo tiempo ser transportadas y utilizadas en vehículos eléctricos (camiones, buses, submarinos, automóviles, etc.). Para un buen almacenamiento de energía transportable, hay dos factores clave: energía para dar autonomía y potencia para rápida extracción y almacenamiento (carga y descarga rápidas). Cuatro formas de almacenamiento son analizadas: baterías electroquímicas, volantes, hidrógeno (celdas decombustible) y ultracapacitores.

3 Fuentes de Almacenamiento H 2

4 Fuentes de almacenamiento Fuente Wh/kg Wh/kg W/kg Ciclos (teórico) (práctico) (60% DOD) Costo (US$/kWh) USABC Pb-Acido Ni-Cd Ni-M-H Zb Zebra Li-ión Li-ión Li-Polímero Zn-Aire Volantes Ultracapacitor Hidrógeno * Celda Combustible * 2,800 Wh/lt (propano líquido 7,000 Wh/lt)

5 Na-NiCl NiCl (ZEBRA)

6 Na-NiCl NiCl (ZEBRA) i i - - Sodium ß-Alumina Nickel and Salt e - NiCl 2 NaClNi Na e - Na Na e - Na NaClNi NiCl 2 and Salt Descarga Carga Na Na e -

7 Zinc-Aire Celda de Zinc-Aire removible

8 Zinc-Aire Proceso de carga mecánica

9 Vl Volantes (Flywheels) l Resistencia a la tracción: más resistencia=> más energía específica Peso: menos peso=> más Wh/kg g(para igual resistencia)) Distribución de masa: (para igual peso y resistencia): Menos energía específica Más energía específica

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11 Tecnología para volantes

12 Hidrógeno Como Fuente de Energía El 90% de los átomos del Universo es Hidrógeno, lo que representa el 75% de su masa. Sin embargo, la molécula de hidrógeno (H 2 ) en la tierra es muy escasa y sólo se encuentra formando compuestos. Por lo tanto, si se quiere utilizar como fuente energética, debe ser producido en base a los compuestos que lo contienen (agua, metano, etc.). Su producción, así como su almacenamiento son caros y complejos, por lo que se debe tratar de utilizar con la máxima eficiencia. La forma más eficiente de utilizar su energía almacenada es a través de las Celdas de Combustible.

13 Producción de Hidrógeno Actualmente, el 48% de la producción de hidrógeno es a partir del gas natural, el 30% del petróleo y el 18% del carbón. La electrólisis del agua representa solamente 4%. Ejemplo: ecuación simplificada a partir del gas natural: CH 4 O 2 CO 2 2H 2 (Contaminación) En el futuro, el hidrógeno deberá producirse por electrólisis del agua. Alrededor de 55 kwh de energía eléctrica son necesarios para producir un 1 kg de hidrógeno desde 9kgdeagua agua. Energía específica: 40 kwh/kg (batería de plomo: 0,03 kwh/kg). Densidad de energía: 2,8 kwh/lt (propano líquido: 7,0 kwh/lt). Densidad volumétrica del H 2 : 80 g/lt a 20 ºK

14 Producción de Hidrógeno

15 Almacenamiento de Hidrógeno Métodos de almacenamiento: Licuado: 20 ºK a presión normal (se requiere 30% de la energíaalmacenadaparalicuarlo). li l Tanque con aislación térmica y de alta resistencia. Presurizado: 5,000 a 10,000 PSI (se requiere energía para comprimirlo). Tanque de alta resistencia. Aleación absorbente: Ti-V-Mn, Ti-V-Cr, Ti-V-Cr-Mn y Ti-Cr (se puede almacenar hasta un 6% en peso de la aleación).

16 Celdas de Combustible Principios de operación CARGA ELECTRICA e e ½ O 2 H O 2 CATODO POROSO 2H ELECTROLITO H 2 H = 2H 2e 2 ANODO POROSO Reacción completa: H ½O H O 2 2 2

17 Celdas de Combustible Polymer Exchange Membrane (PEM) Phosforic Acid Alkaline Molten Carbonate Solid Oxyde ELECTROLYTE NAFLON H 3 PO 4 KOH/H 2 O Li 2 CO 3 /K 2 CO 3 ZrO 2 /Y 2 O 3 TEMPERATURE FUEL REFORMER OXYDIZER EFFICIENCY POWER 80 º C HYDROGEN OR REFORMED EXTERNAL PURE OXYGEN OR AIR % FROM 100 W TO 10 MW 190 º C HYDROGEN OR REFORMED EXTERNAL PURE OXYGEN OR AIR % FROM 200 KW TO 10 MW º C HYDROGEN PURE OXYGEN OR AIR % FROM 100 W TO 20 KW 650 º C HYDROGEN OR REFORMED EXTERNAL OR INTERNAL PURE OXYGEN, CO 2 OR AIR >60% HIGHER THAN 100 MW º C H 2, CO, OR REFORMED EXTERNAL OR INTERNAL PURE OXYGEN OR AIR >60% HIGHER THAN 100 MW APPLICATIONS VEHICLES GENERATION SPACE GENERATION GENERATION

18 Celda PEM (Polymer Exchange Membrane)

19 Bt Batería de Celdas Cld PEM

20 PEM PEM 200 kw para transporte público

21 Ultracapacitores (Ucaps)

22 Ucaps Un ultracapacitor depende del carbón altamente poroso. El carbón queda eléctricamente cargado cuando se conecta a una batería. El carbón atrae iones de carga opuesta de la solución electrolítica. Los iones se mueven a través del separador de papel si es necesario para alcanzar el carbón apropiadamente cargado, colocándose dentro de los numerosos huecos existentes en el carbón poroso. Este arreglo permite dos requerimientos necesarios para una alta capacitancia: una superficie gigantesca y una enorme cantidad de cargas separadas por distancias muy pequeñas

23 Limitaciones it i de los Ucaps Como se mostró en la Tabla sobre fuentes de almacenamiento, los ultracapacitores tienen una alta potencia específica (rápida carga y descarga), pero una muy baja energía específica (Wh/kg). Como comparación, una batería de plomo puede guardar 6 veces más energía por unidad de peso que un ultracapacitor. Esta limitación reduce su aplicación a vehículos híbridos oconasistenciaexterna it i t de carga para rangos pequeños. Algunos ejemplos de asistencia externa que podrían ser interesantes son un tranvía ligerooun bus de locomoción colectiva.

24 Tranvía Ligero con Ucaps. Catenaria Rígida Pantógrafo Catenaria Rígida

25 Tranvía Ligero con Ucaps.

26 Tranvía Ligero con Ucaps. Rango y tiempo de carga: Rango: 0.5 kwh/km, Ucap: 4 Wh/kg, 200 kgs Ucaps => 800 Wh de energía => 1.6 km de rango (valor teórico) => 1.2 kms de rango útil (Ucaps descargados a la mitad de su voltage nominal). Tiempodecargacon 150 Amps de corriente constante por módulo. Cada módulo de 80 F, 100 V y 100 Wh de energía. Se requieren 8 módulos de 25 kgs c/u => 250 kg con estructura incluida. Para 400 Vdc de voltaje máximo, 2 módulos en paralelo con 4 unidades en serie. Potencia máxima al final de la carga: 300A 400V=120 kw. Tiempo de carga: 30 segundos. V ( ) V 80 t C 40 F 30 I 300A 3 segundos

27 Tranvía Ligero con Ucaps. 60 V [km/h] d [m] % Energía 50% nominal voltage d [m]

28 Tranvía Ligero con Ucaps. Costo: 1 pack con 4 módulos de 80 F, 100 Vdc c/u, en serie 2 packs en paralelo Ttl8 Total: unidades d Cost por unidad US$ Costo total t : US$ Este monto representa el 20% del costo total del vehículo, sin considerar los rieles. Ucaps durarían toda la vida útil del vehículo: (200 cargas diarias durante 15 años)

29 Transporte público con Ucaps.

30 Nano-Ucaps Tecnología aplicada a Ucaps: Nano-Ucaps Single Wall Carbon Nanotube (SWNT) Grafeno cerrado formando un tubo (Grafeno: una hoja de grafito)

31 Multi Wall Carbon Nanotube (MWNT)

32 Nano-Ucaps ELECTRODOS DE UN ULTRACAPACITOR CON NANOTUBOS DE CARBON. Una matriz de nanotubos de carbono, verticalmente alineados formando una estructura de electrodos, permitirá energías específicas tan altas como las baterías de Ni-Cd o de Ni-MH (60 Wh/kg). Además, una potencia específica de más de 10 kw/kg lo que representa más de 100 veces el valor típico de una batería (100 W/kg). El ciclo de vida puede ser de

33 Nano-Ucaps ELECTRODOS DE UN ULTRACAPACITOR CON NANOTUBOS DE CARBONO separator electrolyte

34 Nano-Ucaps Comparación entre Ucaps ynano-ucaps

35 Nano-Ucaps DESEMPEÑO DE LOS NANO-UCAPS: Para aaun automóvil convencional. c o 55 Wh/kg y 10 km/kwh => 165 km usando 400 kg de Nano-Ucaps (75% de la energíaalmacenada). 20 kw/kg y 16,5 kwh => menos de 10 seg. para carga completa (limitado por la capacidad del cargador). Menos de 2 min con un cargador de 750 kw*. 100, ciclos => 100, km = 16,500, km! => El Nano-Ucap sobrevive la vida útil del vehículo 45 veces (reutilizable). * La alternativa de utilizar carga lenta domiciliaria es siempre posible.

36 CONCLUSIONES Se han visto cuatro formas para almacenar y transportar energía en un vehículo impulsado por tracción eléctrica. Las características más importantes para un buen desempeño del medio de transporte que se trate son una alta energía específica de la fuente almacenadora (autonomía) y una alta potencia específica para carga rápida y frenado regenerativo efectivo. Dentro de las formas posibles de almacenamiento analizadas, la celda de litio, por su precio actual, alta energía específica y una adecuada potencia específica es el candidato hoy en día. Sin embargo al parecer, los Nano- Ucaps serán la solución en el futuro por las características esperadas descritas en este trabajo.

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