Desbloquear a palavra-passe do armazenamento de eletricidade a partir de energias renováveis: Uma análise abrangente da tecnologia BESS avançada

I. Princípios técnicos do BESS

 (I) Mecanismo básico de armazenamento de eletricidade

A BESS armazena e liberta eletricidade com base em princípios electroquímicos. Durante o processo de carregamento, uma fonte de energia externa fornece eletricidade, promovendo a reação química no interior da bateria para converter eletricidade em energia química. Os iões movem-se entre os eléctrodos e são armazenados. Quando é necessário descarregar, ocorre uma reação química inversa e a energia química é convertida novamente em eletricidade e saída. Diferentes tipos de baterias, como as baterias de iões de lítio e as baterias de chumbo-ácido, têm diferentes mecanismos de reação química, mas o núcleo é conseguir a conversão de energia através da migração de iões e da reação redox dos materiais dos eléctrodos.

 (II) Princípio do trabalho colaborativo com as energias renováveis

A produção de energia renovável, como a energia solar e eólica, é instável. O BESS efectua operações de carga e descarga de forma inteligente, monitorizando continuamente a produção de energia renovável na rede e a procura de carga. Quando há excesso de produção de energia a partir de energias renováveis, o BESS absorve o excesso de eletricidade para armazenamento. Quando a produção de energia é insuficiente e a procura de carga é elevada, o BESS liberta eletricidade para manter o funcionamento estável da rede. Por exemplo, quando há luz solar abundante durante o dia e as centrais de energia solar geram uma grande quantidade de eletricidade, o BESS carrega. À noite, durante o pico de consumo de eletricidade e quando a energia solar não consegue gerar eletricidade, o BESS descarrega para satisfazer a procura.

II. Principais pontos de avanço tecnológico

 (I) Abordagens de realização da tecnologia de baterias de alta densidade energética

– Inovação de materiais

    – Os materiais dos eléctrodos são a chave para melhorar a densidade energética. No caso das baterias de iões de lítio, o desenvolvimento de novos materiais de eléctrodos positivos, como os materiais ternários com alto teor de níquel e os materiais à base de manganês ricos em lítio, pode aumentar a tensão de funcionamento e a capacidade específica da bateria. Para os materiais de eléctrodos negativos, os materiais à base de silício estão a atrair muita atenção devido à sua elevada capacidade específica teórica, mas é necessário resolver o problema da expansão do volume do silício durante o carregamento e o descarregamento. Através de meios como o tratamento de nanonização e a composição com outros materiais, o efeito de volume pode ser efetivamente atenuado e a densidade energética da bateria pode ser melhorada.

– Otimização estrutural

    – Adoção de um novo design da estrutura da bateria. Por exemplo, a estrutura laminada pode melhorar a taxa de utilização do espaço interno da bateria e reduzir a resistência interna da bateria em comparação com a estrutura tradicional da ferida, aumentando assim a densidade energética. Além disso, o desenvolvimento de baterias de estado sólido é também uma direção importante. Os electrólitos sólidos podem não só melhorar a segurança, mas também permitir que as baterias atinjam uma maior densidade energética numa estrutura mais compacta.

 (II) Os segredos do design das pilhas de longa duração

– Otimização da fórmula do eletrólito

    – O eletrólito desempenha um papel importante na vida útil da bateria. Ao otimizar a composição e a fórmula do eletrólito e ao adicionar aditivos específicos, a estabilidade da interface entre o elétrodo e o eletrólito pode ser melhorada e as reacções secundárias podem ser inibidas. Por exemplo, a adição de aditivos formadores de película pode formar uma película SEI estável (película de interface de eletrólito sólido) na superfície do elétrodo, reduzindo a corrosão e a perda de materiais do elétrodo e prolongando a vida útil da bateria.

– Melhorar a tecnologia de gestão térmica

    – Uma boa gestão térmica é crucial para prolongar a vida útil da bateria. A adoção de tecnologias eficientes de dissipação de calor, como o arrefecimento por líquido e por tubos de calor, pode garantir que a bateria funciona dentro de um intervalo de temperatura adequado. As temperaturas elevadas aceleram o envelhecimento dos materiais no interior da bateria, e um sistema de gestão térmica eficaz pode reduzir a temperatura de funcionamento da bateria e abrandar a velocidade de envelhecimento, melhorando assim o ciclo de vida da bateria.

 (III) Princípios científicos subjacentes ao carregamento e descarregamento rápidos

    – Melhorar a taxa de difusão de iões e a condutividade eletrónica dos materiais dos eléctrodos é a chave para conseguir um carregamento e descarregamento rápidos. Ao regular microestruturalmente os materiais dos eléctrodos, como a criação de uma estrutura porosa e a redução da dimensão das partículas dos materiais, o caminho de difusão dos iões pode ser encurtado e a velocidade de transferência dos iões pode ser acelerada. Ao mesmo tempo, a utilização de aditivos com boa condutividade ou a construção de uma rede condutora pode aumentar a capacidade de transmissão de electrões nos materiais dos eléctrodos.

III. Progresso da investigação e desenvolvimento

 (I) Tendências globais de investigação

As instituições de investigação científica e as empresas de todo o mundo estão a investir ativamente na investigação e desenvolvimento da tecnologia BESS. Na Europa, algumas equipas de investigação concentram-se na investigação fundamental de novos materiais para baterias, tentando descobrir materiais para eléctrodos e electrólitos com melhor desempenho. As empresas dos Estados Unidos registaram progressos significativos na tecnologia de integração e na aplicação comercial de sistemas de armazenamento de energia em grande escala e desenvolveram soluções BESS adequadas a diferentes cenários. Os países asiáticos, como a China e a Coreia do Sul, têm vantagens em termos de tecnologia de fabrico de baterias de iões de lítio e de capacidade de produção e estão constantemente a promover a atualização da tecnologia das baterias e a redução dos custos.

 (II) Casos de aplicação prática para promover a investigação e o desenvolvimento

As necessidades de aplicação em projectos práticos estão também a promover a investigação e o desenvolvimento da tecnologia BESS. Por exemplo, a procura de baterias de alta densidade energética e de carregamento rápido no domínio dos veículos eléctricos está a levar as empresas de baterias a acelerar o progresso da investigação e desenvolvimento de tecnologias conexas. As exigências de sistemas de armazenamento de energia de longa duração, seguros e fiáveis em projectos de armazenamento de energia do lado da rede estão também a levar os investigadores a inovar nos materiais das baterias, na integração de sistemas e nas tecnologias de gestão. Simultaneamente, alguns cenários de aplicação emergentes, como as microrredes inteligentes e o armazenamento distribuído de energia, também fornecem novas direcções e desafios para a investigação e o desenvolvimento da tecnologia BESS.

Com a aplicação generalizada das energias renováveis, a tecnologia BESS continuará a desenvolver-se e a melhorar, proporcionando um forte apoio à construção de um sistema energético mais limpo, mais eficiente e mais estável. Através de uma compreensão aprofundada dos seus princípios técnicos, dos principais pontos de avanço e do progresso da investigação e desenvolvimento, podemos compreender melhor a tendência de desenvolvimento da tecnologia energética e contribuir para a futura transformação energética.