Review on hydrogen storage materials and methods from an electrochemical viewpoint

Review on hydrogen storage materials and methods from an electrochemical viewpoint

Publisher: ELSEVIER - Journal of Energy Storage
DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2019.03.020

• Tipos de energia não renováveis: carvão, óleo, gás natural e energia nuclear.

• Energias alternativas: energia solar, energia geotérmica, energia a hidrogênio e bioenergia.

 Com relação ao hidrogênio:

• Elemento mais abundante e simples do planeta
• Umas das maiores densidades de energia
• Utilizado no transporte, geração de eletricidade e aquecimento

 ENERGIA A HIDROGÊNIO

• Combustível verde,
• Alta eficiência energética (65%) comparado com diesel (45%) e gasolina (22%)
• Compatibilidade do hidrogênio com célula a combustível
• Alta densidade energética
• Descarte renovável: água

BENEFÍCIOS DA ENERGIA A HIDROGÊNIO 

• Ambientalmente "amigável" 
• Células a combustível são potentes em relação a outros combustíveis fósseis
• Custo de manutenção barato (porém o custo de investimento é alto)
• Vários processos podem ser realizados para obtenção do hidrogênio

OBTENÇÃO DO HIDROGÊNIO 

• Obtenção a vapor
  
  • utiliza metano para obtenção de hidrogênio
  • CH4+ H2O → CO + 3H2 (1)
    CO + H2O → CO2+ H2   (2)
• Eletrólise
• Hidrogênio gerado a partir da eletricidade "partindo" a molécula de água
• Pode ser utilizada em célula a combustível
• Alto custo
  
  
• Foto Biológico
• Similar à fotossíntese
• Em células de alga, a água se quebra sob a influência da luz do sol em oxigênio, prótons e elétrons
   
• Fermentatitivo
• Produz hidrogênio por método biológico 
• Realizado por bactérias que são alimentadas por hidrocarbonos e produz hidrogênio e CO2
• Geração enzimática
•  gas hidrogênio é gerado de moléculas de glicose 
• C6H10O5+ 7H2O → 12 H2+ 6 CO2 (3)

APLICAÇÕES DO HIDROGÊNIO

• Células a combustível: geram energia do oxigênio e hidrogênio deixando água como produto 
• Fontes de energia em veículos - substituição do carvão, gás natural e óleo diesel 
• Geração de eletricidade - hidrogênio é usado como combustível em vários usinas de potência

ARMAZENAMENTO DO HIDROGÊNIO

• Hidrogênio é leve e tem baixa densidade. Isso dificulta seu armazenamento, pois ocupa um grande volume
• Guardado e armazenado em materiais 
• Armazenamento do hidrogênio é a principal tecnologia em células a combustível
   

CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO 

•  Células a combustível são bem conhecidas em aparelhos eletroquímicos, transformando a energia química em energia elétrica através do hidrogênio e oxigênio
  
  
•  
• Células a combustível foram usadas em programas espaciais da NASA
• Células a combustível são usadas em veículos e usinas de produção de energia
• Outras razões pelas quais células de combustível a hidrogênio são adequadas:
• Limpas e altamente eficientes
• Renovável e não solicita carregamento 
• Combustível feito da água 
• Funciona facilmente em modo reverso para armazenamento de energia
   

APLICAÇÕES DAS CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO

• Sistema de geração de energia: pequenos (0.1 a 10kW) e grandes (10kW a MW) sistemas
• Sistemas combinados com fontes de energia renovável: fontes eólica e solar combinadas com células de combustível a hidrogênio
• Sistemas de suprimento de potência em casos de emergência: células a combustível podem ser instaladas em locais em que não pode haver interrupção no fornecimento de energia
• Aplicações móveis: células a combustível portáveis 
• Aplicações em transporte: células a combustível em satélites e veículos espaciais. Indústrias de automóveis utilizam células a combustível como  combustível para seus automóveis 

SANDIA REPORT - CHAPTER 1: ELECTRICITY STORAGE SERVICES AND BENEFITS

Resumo:

18 serviços de aplicações em 5 grupos:

• Serviço energético Bulk
• Serviços auxiliares
• Serviços de infraestrutura de transmissão
• Serviços de infraestrutura de distribuição
• Serviços de gerenciamento de energia ao consumidor 

 SERVIÇOS ENERGÉTICOS BULK

• Electric Energy Time-shift (Arbitrage)
• Compra de energia barata quando os preços ou custo marginal estão baixos;
• Carregamento do sistema de armazenagem para que a energia guardada possa ser usada depois;
• Mudança temporal no armazenamento de energia de recursos renováveis como eólica e fotovoltaica
  
•  Electric Supply Capacity
• Armazenamento de energia pode ser usado para postergar ou reduzir a necessidade de comprar uma nova estação de geração de capacidade;
• Preço com que a geração é estocada é um critério chave no descarregamento
   

SERVIÇOS AUXILIARES

•  Regulation
• Envolve gerenciar fluxos com outras áreas de controle para combinar mais de perto escaladas para variações momentâneas
• Manter a frequência da rede aos padrões da BAL001 e BAL002
• Utilizada para reconciliar diferenças momentâneas causadas por flutuações em geração e cargas. 
• Metade da capacidade de armazenamento é usada para regulação UP e a outra metade do armazenamento da capacidade é usada para regulação DOWN
• Rápida resposta
  
  
• Spinning, Non-spinning, and Supplemental Reserves
• Spinning → Capacidade de geração é online e é capaz de responder à falta de energia de geração e transmissão dentro de 10 minutos;
• Non-Spinning → Pode ser offline; pode estar disponível dentro de 10 minutos; 
• Supplemental Reserve → Consegue realimentar a carga dentro de 1 hora. Ao contrário do Spinning e Non-spinning, Suplemental Reserve não tem a capacidade de sincronizar com a frequência da rede.

• Voltage Support 
• Manter a tensão dentro dos limites especificados;
• Requer gerenciamento de reatância para redes com alta conexão de indutores e capacitores; 

• Black Start
• Fornecem uma reserva ativa de potência e energia dentro da rede e pode ser utilizada para energizar linhas de transmissão e distribuição;
• Fornecem energia para trazer usinas de potência on line depois de faltas catastróficas;
• Usa esse serviço quando há uma falha na rede de transmissão

OUTROS USOS RELACIONADOS

• Load Following/Ramping Support for Renewable
• A carga é caracterizada pela saída de energia que geralmente muda com a frequência em  minutos 
• Adequado para amortecer a variabilidade dos sistemas eólico e fotovoltaico

•  Frequency Response
• Similar à regulação, porém reage a necessidade do sistema 
• Reage a períodos de tempo curtos, segundos, quando a perda de geração ou de transmissão

SERVIÇOS DE INFRAESTRUTURA EM TRANSMISSÃO

•  Transmission Upgrade Deferral
• Pequena quantidade de armazenamento pode ser usada para fornecer capacidade suficiente para adiar a necessidade de um grande investimento em equipamentos de transmissão

•  Transmission Congestion Relief
• Ocorre quando disponível, a energia de menor custo não pode ser entregue a todas ou a algumas cargas porque as instalações de transmissão não são adequadas para fornecer essa energia.
• Durante os períodos de pico de demanda, a necessidade, o custo e as tarifas de acesso à transmissão aumentam
• Energia armazenada quando não há congestionamento na transmissão e é descarregada (durante períodos de pico de demanda) para reduzir os requisitos de capacidade de pico de transmissão.

SERVIÇOS DE INFRAESTRUTURA EM DISTRIBUIÇÃO

• Upgrade Deferral and Voltage Support 
• O adiamento da atualização da distribuição envolve o uso de armazenamento para atrasar ou evitar investimentos;
• Exemplo: quando um transformador é substituído por um novo, maior, seu tamanho é selecionado para acomodar o crescimento futuro da carga para os próximos 15 a 20 anos. Assim, grande parte desse investimento é sub-utilizado durante a maior parte da vida útil do novo equipamento. A atualização do transformador pode ser adiada usando um sistema de armazenamento para descarregá-lo durante períodos de pico.
  

 SERVIÇOS DE GERENCIAMENTO DE ENERGIA DO CLIENTE 

• Power Quality   
• O serviço de qualidade de energia elétrica para proteger o cliente de eventos que afetam a qualidade da energia. Algumas manifestações de baixa qualidade de energia incluem o seguinte:
• variações na frequência primária de 60 hertz;
• baixo fator de potência;
• harmônicos (ou seja, a presença de correntes ou tensões em outras frequências que não a frequência primária);
• interrupções no serviço.
  
• Power Reliability
  • Sistema de armazenamento suporta as cargas do cliente quando há perda total de energia do utilitário de origem. 
  • Sistema de armazenamento permite que cargas do cliente entrem em ilha durante a interrupção e sincronize novamente com o utilitário quando a energia for restaurada. 
   
• Retail Energy Time-Shift
  
  • A mudança de horário no varejo de energia elétrica envolve armazenamento usado pelos usuários finais de energia (clientes de serviços públicos) para reduzir seus custos gerais de eletricidade. 
• Os clientes cobram o armazenamento durante períodos fora de pico
• Descarregam a energia durante os períodos em que os preços de energia no horário de uso (TOU) se aplicam.
• Demand Charge Management
• O armazenamento de eletricidade pode ser usado pelos usuários finais (ou seja, clientes de serviços públicos) para reduzir seus custos gerais de serviços elétricos, reduzindo sua demanda durante os períodos de pico especificados pela empresa. 
• Para reduzir a carga quando as cobranças de demanda são altas, o armazenamento é cobrado quando não houver tarifas ou houver pouca demanda. 
• A energia armazenada é descarregada para atender à carga durante os períodos em que as tarifas de demanda se aplicam. 
• O armazenamento de energia pode descarregar por cinco a seis horas, dependendo das disposições da tarifa aplicável.
   

ANÁLISE DOS 4 ARTIGOS PROPOSTOS

Artigo: Multi-Battery Management Considering Cell Degradation and Economic Constraints

Análise:

• Controle centralizado de armazenamento distribuido em uma microrede
• Diferentes baterias são comparadas em diferentes estado de conservação
• Ciclos são usados (DOD e ROD) para saber o custo da energia armazenada
• Conclusão: a metodologia desenvolvida é capaz de analisar baterias múltiplas, de diferentes tamanhos e de tecnologia distintas.

Artigo: Economic Analysis of Energy Storage Systems in the context of time-of-use rate in Brazil

Análise:

• Avaliação da viabilidade econômica da geração distribuída com painéis fotovoltaicos no contexto da tarifa branca 
• Payback para ambos os casos: fotovoltaico somente e fotovoltaico com armazenamento
• Comparação de diferentes cenários com consumo, insolação e período de pico
• Cenário 5 com armazenamento por bateria apresentou um payback maior em 27% do que sistemas convencionais. 

Artigo: Optimal Robust Primary Frequency Response Control for Battery Energy Storage System

Análise:

• O trabalho propõe um esquema de controle robusto para participação máxima do sistema de baterias na resposta frequência primária
• Controle de frequência na resposta da bateria em grandes distúrbios
• O controlador considerado leva em conta restrições de estabilidade e robustez
• Resultado obtido é que o conjunto de baterias equipado com o controlador melhora a resposta em frequência do sistema sem violar os limites de tensão
• MatLab é utilizado para a programação de um controle não-linear considerando as restrições de estabilidade e robustez.

Artigo: Allocation and Operation of A Hydropneumatic Energy Storage with Building Microgrid

Anãlise:

• Estuda o sistema de energia integrado do Ground-Level Integrated Diverse Energy Storage (GLIDES)
• Hidropneumático inventado recentemente
• Sistema pneumático de armazenamento de energia integrado com outros sistemas
• Dois estágios estocásticos de radiação solar e carga elétrica
• O artigo resolve o modelo não-linear estocástico pelo método de aproximação média 
• Usar o modelo estocástico para avaliar as incertezas relacionadas ao armazenamento de eenrgia hidropneumático.