O que é bateria OPzV

O que é bateria OPzV?

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O que é bateria OPzV?

O que é bateria OPzV? Sob os padrões DIN da Europa, OPzV significa Ortsfest (estacionário) PanZerplatte (placa tubular) Verschlossen (fechado). Claramente esta é uma construção de célula de bateria tubular de placa 2V semelhante à bateria OPzS, mas tendo um plugue de ventilação regulado por válvula em vez de um plugue de ventilação aberto. No entanto, nenhuma bateria de chumbo-ácido é verdadeiramente fechada e, por esta razão, o V na sigla é muitas vezes considerado como uma posição para “Vented” em vez de Verschlossen. Por ventilado, isso significa que ele tem uma válvula de alívio de pressão que se abrirá a pressões internas de cerca de 70 a 140 milibar.

É, de fato, uma bateria VRLA de construção de placas tubulares, mas que recombina hidrogênio e oxigênio usando um eletrólito imobilizado. Neste caso, o eletrólito é imobilizado usando sílica fumegída para transformar o eletrólito líquido em um gel sólido. Isso contrasta com a outra gama de baterias VRLA com ácido de chumbo, que usa um tapete de vidro de fibras muito finas para absorver o papel de mancha semelhante a ácido e imobilizá-lo desta forma. Esta gama de baterias VRLA é conhecida como AGM (Absorvente ou Absortivo, Tapete de Vidro). Esta tecnologia de tapete de vidro depende de ter uma pressão uniforme na face do tapete, caso contrário, o processo de recombinação de gás não funcionará.

Por essa razão, é inadequado para uma construção de placas tubulares positivas e só é usado para baterias com desenhos de placas planas positivas.
As duas características importantes das células de bateria OPzV são a construção da placa tubular e o eletrólito imobilizado (GEL). A placa tubular positiva dá a vantagem do contato de ácido extra para o PAM através de sua forma arredondada, em vez de plana, como mostrado em Fig. 1 A partir disso, pode-se ver que a área de contato adicional é de aproximadamente 15% em comparação com sua contrapartida de placa plana.

Figure1 Additional acid area in contact with tubular plate surface 1
Fig 2 Typical stationary OPzV battery bank in steel rack 1

Esta melhor utilização resulta em uma maior densidade energética, enquanto a luva mantém o material ativo firmemente contra o condutor para minimizar a resistência da bateria e evitar que a perda de PAM se desfaente durante operações cíclicas profundas.
A imobilização do eletrólito na bateria OPzV tem os dois benefícios de permitir o funcionamento das células em diferentes orientações sem derramamento e também permite que os gases produzidos pela eletrólise da água sob carga recombinem e evitem que a água seja perdida. Fig. 2 é uma instalação típica em um aplicativo estacionário. A capacidade de armazenar células em seus lados permite um sistema de racking eficiente em espaço e permite fácil acesso aos terminais de bateria para verificações de manutenção.

O aspecto de recombinação é fundamental para muitas instalações estacionárias, particularmente remotas. Isso significa que a manutenção da bateria pode ser realizada em intervalos muito maiores, uma vez que não é necessária cobertura de água. Também elimina a necessidade de equipamentos de ventilação caros que são projetados para remover gases potencialmente explosivos produzidos quando a bateria está sendo carregada.
O problema da evolução do gás com células inundadas deriva da eletroquímica da bateria chumbo-ácido. A produção de hidrogênio e oxigênio pode ocorrer em tensões celulares muito baixas. Fig. 3 mostra a relação entre a taxa de evolução do gás e a tensão celular chumbo-ácido.

Fig 3 Oxygen and hydrogen evolution as a function of cell potentials 1
Fig 4 Oxygen recombination with hydrogen in a VRLA cell 1

Neste diagrama, tanto as placas positivas quanto as negativas são mostradas como potenciais únicos e a diferença é a tensão celular geral. Como se pode ver, mesmo a 2,0 volts por célula há quantidades mensuráveis de gás evoluídas de um sistema inundado, e a 2,4 VPC com uma carga, a perda de água e a geração de gás são consideráveis. Por essa razão, um design recombinante da célula é a melhor maneira de garantir uma instalação segura com perda mínima ou nenhuma de água durante as tarefas normais do ciclo.

Para entender como uma bateria de gel é capaz de facilitar uma reação de recombinação, precisamos olhar para a estrutura do eletrólito gelado quando ele está em serviço. Primeiro, no entanto, um conhecimento das reações que causam eletrólise de água seguido pela evolução do hidrogênio e oxigênio (gassing) seria útil.

A quebra da água devido à eletrólise é bastante simples:

Geral 2H2O → 2H2(g) + O2(g)

Positivo 2H2O → O2(g) + 4H+ + 4e (oxidação)

Negativo 2H+ +2e → H2 (Redução)

Em ambos os casos para cátodo e ânodo há uma liberação de gás devido à ação eletroquímica de adicionar elétrons (eletrodo negativo) ou remover elétrons (eletrodo positivo). O método pelo qual os gases, ou íons podem se recombinar para formar água não é completamente compreendido e há mais de uma explicação. O mais aceito é:

O2 + 2Pb → 2PbO

2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

2PbSO4 + 4H+ 4e → 2Pb + 2H2SO4

Neste modelo, é necessário persuadir o oxigênio gasoso produzido no positivo, para viajar até a placa negativa. Isso não aconteceria em uma célula de ácido chumbo inundada com um eletrólito líquido.

Quando oxigênio e hidrogênio são produzidos em um eletrólito líquido, eles formam bolhas que sobem à superfície, depois para o espaço da célula e são finalmente liberadas na atmosfera. Os gases não estão disponíveis para recombinação. No entanto, em um eletrólito gelado, uma ação recombinante é criada pela secagem do GEL que forma pequenas rachaduras e fissuras na estrutura. Neste caso, o oxigênio formado a partir da eletrólise da água é capaz de migrar do eletrodo positivo para o negativo, devido à pressão criada pela evolução do gás.

Pequenas rachaduras e fissuras são capazes de armazenar os gases que migram por difusão através do gel para outros vazios na matriz até que a distância entre os eletrodos seja preenchida com gás (Fig. 4). A reação de recombinação, no entanto, é relativamente lenta em comparação com a taxa de evolução, o que significa que a pressão interna da célula aumenta durante o carregamento. Os gases são impedidos de ventilar pela válvula de alívio de pressão, mantendo-os disponíveis para recombinação após o término do processo de carregamento.
As duas principais características que caracterizam essa gama são, em primeiro lugar, recombina o hidrogênio e o oxigênio produzidos sob carga, de volta à água dentro do eletrólito tornando-o essencialmente livre de manutenção e seguro em espaços fechados.

Em segundo lugar, possui uma placa tubular positiva que transmite maior retenção de material ativo em condições de descarga profunda para proporcionar uma vida útil mais longa. A gama de baterias OPzV é essencialmente uma descarga profunda, alta vida útil do ciclo, bateria de chumbo-ácido sem manutenção. Devido ao seu eletrólito imobilizado, ele também tem o benefício de poder armazená-lo de lado enquanto estiver em operação, sem vazamento de ácido da ventilação. Em essência, essa orientação faz da bateria um design de terminal frontal, proporcionando benefícios operacionais semelhantes, além de suas outras vantagens.

No entanto, há desvantagens para essas duas vantagens: a alta vida útil do ciclo profundo vem às custas da alta taxa de descarga, ou da capacidade de manivela a frio, ambas significativamente menores quando comparadas com sua contraparte de placa plana AGM. A recombinação de gás é consideravelmente mais lenta do que a taxa de geração de gás. Por essa razão, o processo de carregamento leva mais tempo do que uma célula alagada, normalmente até 15 horas.

Tendo em vista a discussão acima, é bastante claro que este design da bateria OPzV é mais adequado para as aplicações onde há dificuldade em manter a bateria e é necessário ter descargas profundas frequentes, talvez regulares combinadas com um longo calendário e vida útil do ciclo. Devido ao seu desempenho cca relativamente baixo, o perfil de descarga normalmente seria de empates atuais de 0,2C amps ou menos durante um período de várias horas. Embora seja justo dizer que a bateria e as células OPzV podem fornecer correntes de descarga intermitentes, razoavelmente altas, de até 2C amplificadores durante um ciclo normal de serviço.

O tempo de recarga, que normalmente é de 12 a 15 horas para recarregar uma bateria, limita a quantidade de gás que pode ser produzida com carga. Isso é conseguido carregando com um limite de tensão, tipicamente de 2,23 a 2,45 volts por célula. Fig. 5 mostra um perfil de carregamento típico para uma bateria OPzV. Isso reduz a corrente que entra na bateria e, consequentemente, amplia o tempo de carregamento. Este também é um fator importante quando se considera diferentes mercados de baterias e seus perfis operacionais. Com essas considerações em mente, a aplicação mais adequada para a bateria OPzV é predominantemente pesada e industrial.

Fig 5 Recharging OPzV at 2 4 VPC 1
Fig 6 Stationary markets overview 1

Olhando para as grandes categorias em ambos os setores de mercado, temos:
• Estacionário
– Energia solar: híbrido diesel, geração e armazenamento off-grid, armazenamento doméstico
– BESS
– Poder de espera
UPS

• Ferrovia
– Iluminação de emergência
– Partida do diesel
– Sinalização
• Tração
– Armazenagem: Caminhões de empilhadeira, caminhões elétricos, AGV
– EV: Carrinho de golfe, Riquixás

• Lazer:
– Marinha
– Caravana
– Acampar

Dos aplicativos listados acima, são aqueles que requerem descargas frequentes de bateria profunda, com tempo para recarregar totalmente, para os quais a bateria OPzV é mais adequada. Em uma aplicação de bateria estacionária, seria energia solar, BESS e energia de espera que marca todas as caixas.

Para aplicações ferroviárias, a bateria de iluminação do trem e ar condicionado e a bateria de sinalização ferroviária são as melhores aplicações para a bateria OPzV. As ferrovias precisam de uma bateria de ciclo profundo que seja capaz de ciclos de descarga profunda em tempos de queda de energia. Isto é melhor fornecido por uma placa de bateria tubular e não por uma bateria de placa plana. Considerando a enorme rede de operações das ferrovias, uma bateria sem manutenção como a bateria OPzV seria um benefício para as ferrovias.

A gama de baterias OPzV não é adequada para aplicações de tração, como baterias de carrinho de golfe e bateria de empilhadeira. Existem considerações práticas, como o uso de recipientes ABS quebráveis em vez dos casos de polipropileno usados na bateria de empilhadeira, por exemplo. Frascos de células ABS não flexíveis quebrariam facilmente se fossem para ser bem embalados nas bandejas de bateria de aço de caminhões de empilhadeiras. O design da bateria Gel OPzV exige mais volumes de materiais ativos que aumentarão as dimensões padrão de uma bateria de empilhadeira.

O mercado de lazer geralmente opta por monoblocos de maior peso e maior densidade energética, particularmente para aplicações de caravanas e camping. O mesmo geralmente acontece com as aplicações de baterias marinhas, que além de barcos elétricos, usa baterias marinhas para usos amplamente semelhantes de refrigeração, navegação e iluminação, e também como com o acampamento, há espaço limitado para armazenamento de baterias.

O principal uso para a bateria OPzV é o mercado de baterias estacionárias. O fio comum em todas as subdivisões deste setor é que a localização das baterias é fixa. Fig. 6 dá uma quebra do mercado de baterias industriais com as principais aplicações estacionárias de telecomunicações, UPS, sistemas de energia de espera e armazenamento de energia de bateria (BESS), tendo cerca de 90% da participação de um mercado global de USD de 15 bilhões de DÓLARES. Ao contrário das aplicações de tração, lazer e trilhos (exceto sinalização) a bateria estacionária permanece fixa em um único local e geralmente são ligadas a um sistema de alimentação. No entanto, a semelhança termina aí.

Alguns aplicativos como UPS em telecomunicações e controle de nível de carga/frequência no BESS exigirão altas ou curtas descargas de alta potência em intervalos aleatórios, gastando uma alta proporção de sua vida com uma carga, enquanto outros como energia solar e de espera serão profundamente descarregados em intervalos regulares.
Por essa razão, a bateria OPzV é mais adequada para os setores do mercado estacionário que são profundamente descarregados, regularmente ou aleatoriamente, mas certamente com frequência. Nesta categoria, podemos incluir todas as instalações de energia solar com instalações híbridas diesel/solar de maior escala sendo os candidatos ideais para a construção mais duradoura e robusta da bateria OPzV.

O aspecto livre de manutenção da bateria OPzV é importante aqui, particularmente em áreas remotas onde a cobertura de baterias seria extremamente cara e aumentaria o custo, reduzindo assim o ROI para o provedor. Da mesma forma, as instalações domésticas se beneficiam da falta de expertise necessária na manutenção dos níveis de eletrólitos da bateria. Overtop, cobertura no Estado de Carga (SoC) errado da bateria e até negligência são características comuns no uso doméstico da bateria.

Para que a bateria OPzV é usada? Armazenamento de energia

De todas as categorias estacionárias, talvez seja o crescente mercado de ESS, que alguns consideram que atingirá 546 bilhões de USD até 2035, o que oferece mais oportunidades de exploração do design OPzS. A Tabela 1 lista as diversas saídas de baterias dentro da categoria de BESS enquanto Fig. 7 fornece um gráfico da capacidade global de armazenamento por uso primário. Destes, a resposta à demanda e as vendas de energia são os usos mais prováveis onde seriam necessárias descargas profundas regulares. Em todos esses casos, é provável que as instalações sejam em torno de 1 MWh ou maior, localizadas perto de centrais elétricas ou subestações de distribuição e operadas automaticamente ou remotamente.

Tabela 1 Uso comercial do BESS em utilitário e atrás das balanças do medidor

Value Stream Reason for dispatch Value Who?
Demand charge reduction Reduce load - peak shaving Lower bill by reducing demand charges Customer
Time of use/Energy arbitrage Battery dispatch during peak periods when energy costs are high Lower retail electricity bill Utility or customer
Capacity/demand response Dispatch power to grid in response to events signaled by utility or ISO Payment for capacity service Utility,customer, DR agregator
Frequency regulation Battery injects or absorbs power to follow a regulation signal Payment for regulation service Utility, ISO, Third party
Energy sales Dispatch during times when locational marginal prices (LMP) are high LMP price for energy Customer, third party
Resiliency Battery dispatch to provide power to critical facilities during outage Avoided interruption costs Utility, ISO, third party
Capital deferment Support voltage or reduce load locally Prevents costly infrastructure upgrades Utility, ISO
Fig 7 Global battery storage capacity by primary case use 1
Fig 8 Indias cumulative installed power capacity mix 1

Outra aplicação, ainda limitada, é a das estações de carregamento EV. Há muitas vantagens em ter um BESS ao lado do fornecimento de rede.
Por todas essas razões, uma bateria OPzV de descarga profunda e sem manutenção com uma vida útil de ciclo elevado é a melhor opção. Soma-se a isso o baixo custo/kWh do chumbo ácido, tornando este design de uma bateria OPzV e química uma opção ideal para alcançar um bom ROI e opção de baixo custo de capital para estações e subestações BESS.

Renováveis
Uma parte importante do mercado bess é o das renováveis. Fontes naturais, predominantemente solares e eólicas estão fazendo progressos rápidos para se tornarem grandes contribuintes para a produção total de energia de muitos países. Fig. 8. Mostra a proporção atual de geração de energia instalada da Índia com renováveis em mais de 35% da fonte total de energia. De todos os setores de energia renovável, a tecnologia que mais cresce é provavelmente energia solar. .

A capacidade de energia solar aumentou cerca de 24% em 2018, com a Ásia dominando o crescimento global com um aumento de 64 GW (cerca de 70% da expansão global em 2018). Tanto a eólica quanto a solar são candidatos ideais para o armazenamento de energia, pois não podem ser ligadas e desligadas à ordem. A Associação Internacional de Energia Renovável (ARENA) prevê que o PV atingirá 8519 GW até 2050, tornando-se a segunda maior fonte global de energia Fig. 9. A tendência é considerada verdadeira para aplicações dentro e fora da rede, com instalações domésticas crescendo em torno do mesmo ritmo que as empresas industriais e em escala de rede.

Fig 9 IRENA projection to 2050 for PV installed capacity in total Renewable Sources 1
Fig 10 Site power requirements for Telecom installations for 2G 2 – 4G and 5G according to Huawei 1

A mais variável é, obviamente, a energia eólica, e a capacidade de armazenar energia quando ela é gerada e liberá-la quando necessário é uma grande vantagem. O uso de energia armazenada permite que os períodos de pico de demanda sejam satisfeitos mesmo que o vento não esteja soprando nem o sol brilhando. Pode significar reduções drásticas no investimento de capital para geração de energia. A maioria dos países tem uma demanda máxima de energia de cerca de 3 a 5 vezes o uso de fundo por apenas algumas horas por dia. No Reino Unido, por exemplo, o pico de demanda pela manhã e à noite é de cerca de 69GW por aproximadamente 2 horas.

Isso contrasta com uma demanda subjacente constante de 20 a 25 GW para as outras 20 horas do dia. Em vez de ter geradores de energia ociosos por longos períodos devido à supercapacidade, faz sentido ter menos geradores de turbinas eólicas operando em plena capacidade, durante todo o dia, armazenando sua energia em baterias, para uso em horários de pico de demanda.

O que é bateria OPzV em Telecom?

Telecomunicações e poder de espera.
Atualmente, as torres de telecomunicações representam cerca de 1% do uso global de energia. Com torres off-grid sendo construídas a uma taxa de 16% ao ano, há desafios para fornecer energia segura e consistente, reduzindo as emissões de CO2. Por essa razão, as soluções de energia off-grid que combinam geradores a diesel, baterias e painéis solares estão aumentando. O aumento dos custos de combustível também contribui para altas despesas operacionais. Se somarmos a estas as regulamentações governamentais e ambientais cada vez mais restritivas, surge uma situação global onde o uso do diesel será restrito, abrindo caminho para o uso de energia renovável e, portanto, armazenamento de baterias.

Torres de telecomunicações remotas típicas serão alimentadas por sistemas híbridos de energia diesel e energia solar, onde o uso de baterias para armazenar energia solar reduzirá o consumo de diesel. Dependendo do tamanho da estação, 100% de energia solar pode ser usada com armazenamento de bateria para permitir o uso noturno. No entanto, não só mais torres estão sendo construídas, mas também as demandas de energia por estação também estão aumentando particularmente com a introdução das redes 5G Fig. 10. A bateria OPzV sem manutenção oferece benefícios significativos em termos de custo por ciclo e também fornece o mais alto nível de confiabilidade e desempenho em instalações remotas de telecomunicações. Normalmente, essas estações exigirão períodos frequentes e longos de descarga da bateria sem manutenção ou verificações regulares.

Lazer
As demais categorias de lazer e ferrovia têm alguns aspectos únicos. Ambos possuem veículos que carregam a bateria que é usada como fonte de energia para iluminação e outros sistemas de suporte. Na maioria dos casos, a bateria não é a fonte de energia para mover o veículo, mas ainda é regularmente descarregada. No caso de uso marítimo, pode ser para o sistema de navegação ou geladeira a bordo de um barco e é recarregado a partir de um motor diesel ou painéis solares, dependendo do design do barco.

No entanto, para barcos de canal elétrico, por exemplo, seria uma aplicação de tração com padrões de uso idênticos a um FLT ou EV. Em todos os casos, a descarga profunda e o longo ciclo da bateria OPzV combinados com a falta de manutenção são as propriedades necessárias para essas aplicações.

O que é bateria OPzV? para ferrovias

Os requisitos de energia ferroviária são difíceis de categorizar sob a maioria dos títulos padrão. No entanto, dentro desse grupo, há a categoria de sinalização estacionária. Isso efetivamente tem os mesmos requisitos de bateria que o da energia solar. A categoria de bateria de iluminação de trem e ar condicionado, embora em uma plataforma móvel, tem um requisito de descarga profunda semelhante, mas é irregular e imprevisível, e portanto tem requisitos semelhantes às aplicações de energia em espera.

Por essa razão, a bateria OPzV de descarga profunda é a escolha mais adequada para bateria de iluminação de trem e ar condicionado, especialmente porque não precisam de manutenção cara e evitarão a possibilidade de danos resultantes da má manutenção. A outra categoria ferroviária de partida a diesel é mais próxima de uma SLI em vez de uma exigência industrial e as baterias OPzV não são ideais para este uso. Nas locomotivas diesel-elétricas, há uma bateria de partida de locomotiva diesel separada.

As aplicações de bateria até agora discutidas são baseadas nos requisitos atuais do mercado. Existem, no entanto, aplicações emergentes para armazenamento de energia eletroquímica que ainda não foram introduzidas comercialmente. Uma nova exigência é a das estações de carregamento EV. Existem várias razões pelas quais o armazenamento de energia da bateria seria benéfico nesta aplicação. Em primeiro lugar, haverá altas ondas de saída, provavelmente maiores do que a oferta de entrada, devido ao carregamento rápido e múltiplo de EVs. Neste caso, o uso de energia armazenada da bateria reduziria a demanda na oferta da rede, o que significa uma menor exigência de subestimento elétrico e um custo de capital menor.

Em segundo lugar, as taxas de pico de demanda poderiam ser evitadas devido ao uso de energia armazenada da bateria para os picos de demanda, o que resultaria em uma constante e baixa potência da rede. Em terceiro lugar, o armazenamento de baterias também permitiria o uso de fontes de energia renováveis variáveis, armazenando energia quando é gerada a partir de matrizes fotovoltaicas ou turbinas eólicas e usando essa energia para complementar o fornecimento da rede. Tudo isso reduz consideravelmente tanto o gasto de capital quanto os custos operacionais.

Outra possível aplicação de baterias OPzV deriva da oportunidade de usar a geração de energia das torres de telecomunicações, construindo capacidade renovável excessiva para eles e vendendo energia para comunidades vizinhas através de mini-grades. Isso não só ajudaria a mitigar o custo de construção e operação de torres de telecomunicações, tendo um fluxo de receita adicional para o provedor, mas também permitiria que os países com uma rede de rede subdesenvolvida fornecessem energia elétrica muito necessária para comunidades remotas.

Em todas as aplicações de bateria OPzV discutidas, é a estrutura, química e design da bateria OPzV que fornece a chave para satisfazer os requisitos do mercado. O uso da química chumbo-ácido, com a alta duração do ciclo, baixo capital e custos de execução e praticamente zero características de manutenção desta tecnologia, fazem da bateria OPzV uma escolha lógica, se não imbatível, para a maioria das aplicações estacionárias. Em conjunto com isso, os materiais, o design e a qualidade da construção são de igual importância. Todos devem ser de qualidade premium para garantir que a placa possa suportar a expansão diária e contração do Material Ativo Positivo (PAM) quando a bateria OPzV é descarregada e carregada todos os dias.

A Microtex está comprometida em garantir que todos esses aspectos de sua bateria sejam os melhores que podem ser alcançados. As células são projetadas por um cientista alemão reconhecido mundialmente, e para garantir a qualidade do material, elas fazem exclusivamente suas próprias luvas e separadores de bateria. O mundo está enfrentando atualmente muitos desafios sem precedentes. A Microtex está fornecendo soluções e produtos de bateria para ajudar a melhorar os resultados para empresas e comunidades em todo o mundo. O uso de bateria OPzV estacionária confiável, de alta qualidade e eficiente em termos de energia, fornecida pela Microtex, desempenhará um papel significativo no atendimento a esses desafios.

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