Sistemas de almacenamiento de energía. Estado actual

Terrassa Mayo 2013
Sistemas de
almacenamiento de
energía para Automóviles.
Estado actual
JCEE ’13
Manuel Lamich Arocas
Terrassa Mayo 2013
JCEE ’13
Índice
• Introducción
• Gráficas comparativas densidad de energía almacenada
• Gráfica Energía/Potencia
• Concepto de eficiencia de una batería
• Comparativa características
• Ventajas e Inconvenientes
• “Novedades”
• Conclusiones • Referencias bibliográficas
2
JCEE ’13
Terrassa Mayo 2013
Introducción
3
Terrassa Mayo 2013
JCEE ’13
Densidad de energía
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Energy_density.svg
4
Terrassa Mayo 2013
JCEE ’13
Densidad de energía
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Secondary_cell_energy_density.svg
5
JCEE ’13
Terrassa Mayo 2013
Densidad de energía
6
JCEE ’13
Terrassa Mayo 2013
Energía/Potencia
7
Terrassa Mayo 2013
JCEE ’13
Concepto de Eficiencia
• Coulombic efficiency: is the ratio of the coulombs discharged from the battery divided by the coulombs required to bring it back to the initial condition.
• Energy efficiency: the fraction, usually expressed as a percentage, of the electrical energy stored in a battery by charging that is recoverable during discharging. • Coulometric efficiency: For a rechargeable battery: the fraction, usually expressed as a percentage, of the electrical charge stored in a battery by charging that is recoverable during discharging. Inefficiencies arise from current inefficiencies. The coulometric efficiency is always larger than the energy efficiency. Also called "ampere‐hour efficiency" "charge efficiency," and "coulombic efficiency." 8
Terrassa Mayo 2013
Comparativa características (1)
Tipo
Densidad energía
(V)
(MJ/Kg)
Lead-acid
2,1
VRLA (1)
2
0.110.14
(Wh/kg)
(Wh/l)
Potencia
Eficiencia
Energia
/Precio
Autodesc
arga
(W/Kg)
(%)
(Wh/$)
(%/mes)
30-40
60-75
180
70%92%
5-8
Ciclos
Vida
estimada
Comerci
alización
Años
3%-4%
500800
5-8 (car),
20 (stat)
<0.3
1001000
<5
1881
1,50
0.31
85
250
50
Ni-iron
1,2
0.18
50
50-55
100
65%
Ni-cadmium
1,2
0.140.22
40-60
50150
400
70%90%
NIH2
1,5
0.27
75
60
220
85%
↓↓↓
NiMH
1,2
0.110.32
30-90
140300
180
66%
0.51.5
Ni-zinc
1,6
0.220.36
60100
170280
900
86%
2-3.3
Li ion
3,6
0.58
160
270410
300
80%90%
2.8-5
5%10%
1200
2-3
1999
Li polymer
3,7
0.470.72
130200
300380
360
2.85.0
5%
500~
1000
2-3
1992
Alkaline
JCEE ’13
Tensión
celda
5-7.3
20%40%
20%
30-50
1500
20.000
30%
1901
1956
15+
1000
1990
400800
1920
9
Terrassa Mayo 2013
JCEE ’13
Comparativa características (2)
Tensió
n celda
Densidad energía
Potencia
Eficiencia
Energia
/Precio
Auto
descarga
(V)
(MJ/Kg)
(Wh/kg)
(Wh/l)
(W/Kg)
(%)
(Wh/$)
(%/mes)
LiFePO4
3,25
0.290.44
80120
170
1400
Li sulfur
2
0.941.44
260400
350
NanoTitanat
e (Li-ion)
2,3
0.27
74
126
4001100
87-95%
0.51.0
Thin film Li
3,9
0.91.1
250300
1000
25006000
??
ZnBr
1,8
0.210.29
60-80
3335
70%
Vanadium
redox
1,151,55
0.030.07
10-20
1525
80%
NaS
2
0.43
120
170
15
Molten salt
(ZEBRA)
2.58
0.32
90
160
150220
Super iron
1.7
1.4*
400 *
Ciclos
Vida
estimada
Comerciali
zación
Tipus
Silver zinc
(Zpower)
1.7
0.47
130
240450
0.73.0
89%92%
87%
Años
2000+
2004
~1000
2003
900012000
20+
??
40000
??
2,5
2000
???
2009
20%
14
10(stat)
1980
0,55
molt
petita
2500
15
2002
4.54
18%
(dia)
3000+
8+
???
???
200
10
Terrassa Mayo 2013
JCEE ’13
Ventajas/Inconvenientes
Tipo
Ventajas
Lead-acid
Inconvenientes
Peso elevado y "reciclado" del Plomo
Alkaline
Muy baja auto descarga
Aptas para descargas parciales i poca disponibilidad
Ni-iron
Muy larga vida
Baja Eficiencia
Ni-cadmium
Gran potencia específica
"Reciclado" del cadmio i "Efecto memoria"
NIH2
Duración
Recipiente a alta prensión i precio
NiMH
Disponibilidad y prestaciones equilibradas
Ni-zinc
Similares a NiMH con celdas de 1,6V
Baja disponibilidad por ahora
Li ion
Densidad de energía alta
Peligro de incendio …
Li polymer
Ídem
Peligrosas i mal comportamiento a baja Temperatura
LiFePO4
Prestaciones equilibradas
Baja producción i falta de experiencia a largo termino
Li sulfur
Eficiencia
Temperatura de funcionamiento 300-350º
Nano Titanate (Liion)
Muy rápidas de cargar
Thin film Li
Funcionamiento a altas temperaturas 150º
Medidas pequeñas y experimentales
ZnBr
Acepta descargas profundas continuadas
Solo aptas para Grandes instalaciones
Vanadium redox
Recarga por cambio del electrólito
Gran tamaño
NaS
Nissan FEV-II
General Motors
300º-350ºC Grandes Instalaciones
Molten salt (ZEBRA)
En desarrollo
Super iron
En investigación
Silver zinc (Zpower)
Honda EV+,
Toyota RAV4-EV
270º-350ºC
BMW i altres
Muy caras
11
Terrassa Mayo 2013
Algunas novedades “Recientes”
• Lithium Metal Polymer Battery from DBM Energy
(Kolibri)
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Over 300 Wh/kg (estimated)
Lifetime of 2500 Charge cycles without degradation
6 min charge time for 100 kWh
600 km without recharging (Audi A2, 90km/h, 98.8kWh)
• Semi-Solid Lithium Rechargeable Flow Battery
ƒ Energy densities of 300–500 Wh L-1
ƒ Specific energy 130–250 Wh kg-1
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201100152/full
ƒ Lithium Air Battery Makes Progress
JCEE ’13
ƒ Specific energy 1 - 3 kWh kg-1
http://newenergyandfuel.com/http:/newenergyandfuel/com/2011/03/28/the-lithium-airbattery-makes-progress/
12
13
JCEE ’13
Terrassa Mayo 2013
Terrassa Mayo 2013
Webs recientes de “interés”
•
•
•
•
JCEE ’13
•
•
http://www.extremetech.com/computing/153614‐new‐lithium‐ion‐
battery‐design‐thats‐2000‐times‐more‐powerful‐recharges‐1000‐times‐
faster (http://www.extremetech.com/wp‐
content/uploads/2013/04/ncomms2747‐f3.jpg)
http://www.extremetech.com/computing/126745‐ibm‐creates‐breathing‐
high‐density‐light‐weight‐lithium‐air‐battery
http://www.extremetech.com/computing/142155‐doe‐calls‐for‐a‐
chemical‐battery‐with‐5x‐capacity‐within‐5‐years‐can‐it‐be‐done
http://www.extremetech.com/electronics/149779‐sodium‐air‐batteries‐
could‐replace‐lithium‐air‐as‐the‐battery‐of‐the‐future
http://www.extremetech.com/extreme/151801‐aluminium‐air‐battery‐
can‐power‐electric‐vehicles‐for‐1000‐miles‐will‐come‐to‐production‐cars‐
in‐2017
http://gigaom.com/2013/01/14/13‐battery‐startups‐to‐watch‐in‐2013/
14
Terrassa Mayo 2013
Referencias
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
JCEE ’13
•
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Energy_density.svg
http://www.motor.es/noticias/toyota‐nueva‐generacion‐de‐baterias‐para‐coches‐
electricos.php
http://www.madkatz.com/ev/batteryTechnologyComparison.html
http://www.rtpnet.org/~teaa/battery.html
http://www.mkbattery.com/images/VRLA_TechManual.pdf
http://www.battcon.com/PapersFinal2009/ClarkPaper2009FINAL_12.pdf
http://www.beutilityfree.com/content/pdf_files/NiFeFlyer.pdf
http://www.mpoweruk.com/nickel_iron.html
Iqbal Husain “Electric and hybrid vehicles: design fundamentals” Google llibres
Alireza Khaligh and Zhihao Li; “Battery, Ultracapacitor, Fuel Cell, and Hybrid Energy Storage Systems for Electric, Hybrid Electric, Fuel Cell, and Plug‐In Hybrid Electric Vehicles: State of the Art”; IEEE Transactions on Vehicular Technology,; Vol.59, Iss.6; July2010; pp. 2806 ‐ 2814
Jennifer Bauman and Mehrdad Kazerani; “A Comparative Study of Fuel‐Cell–Battery, Fuel‐Cell–Ultracapacitor, and Fuel‐Cell–Battery–Ultracapacitor Vehicles”; IEEE Transactions on Vehicular Technology,; Vol.57, Iss.2; March 2008; pp. 760 ‐ 769 15