Como armazenar eletricidade fora da rede?

Ao longo dos últimos 50 anos, houve um aumento contínuo no consumo global de eletricidade, com uma estimativa de cerca de 25.300 terawatts-hora em 2021. Com a transição para a Indústria 4.0, observa-se um aumento na demanda energética em todo o mundo. Esses números crescem a cada ano, sem incluir as necessidades energéticas dos setores industriais e outros setores econômicos. Essa transformação industrial e o alto consumo de energia estão associados a efeitos mais tangíveis das mudanças climáticas, devido às emissões excessivas de gases de efeito estufa. Atualmente, a maioria das usinas e instalações de geração de energia depende fortemente de fontes de combustíveis fósseis (petróleo e gás) para atender a essa demanda. Essas preocupações climáticas impedem a geração adicional de energia por métodos convencionais. Assim, o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia eficientes e confiáveis tornou-se cada vez mais importante para garantir um fornecimento contínuo e confiável de energia proveniente de fontes renováveis.

O setor energético respondeu com uma transição para energias renováveis ou soluções “verdes”. Essa transição foi facilitada por técnicas de fabricação aprimoradas, que levaram, por exemplo, à produção mais eficiente de pás de turbinas eólicas. Além disso, pesquisadores conseguiram melhorar a eficiência das células fotovoltaicas, resultando em uma melhor geração de energia por área de uso. Em 2021, a geração de eletricidade a partir de fontes solares fotovoltaicas (FV) aumentou significativamente, atingindo o recorde de 179 TWh e representando um crescimento de 22% em comparação com 2020. A tecnologia solar FV agora responde por 3,6% da geração global de eletricidade e é atualmente a terceira maior fonte de energia renovável, depois da hidrelétrica e da eólica.

No entanto, esses avanços não resolvem algumas das desvantagens inerentes aos sistemas de energia renovável, principalmente a disponibilidade. A maioria desses métodos não produz energia sob demanda como as usinas termelétricas a carvão e petróleo. A energia solar, por exemplo, está disponível ao longo do dia, com variações dependendo dos ângulos de incidência solar e do posicionamento dos painéis fotovoltaicos. Ela não produz energia durante a noite, e sua produção é significativamente reduzida durante o inverno e em dias muito nublados. A energia eólica também sofre com flutuações dependendo da velocidade do vento. Portanto, essas soluções precisam ser combinadas com sistemas de armazenamento de energia para garantir o fornecimento contínuo durante períodos de baixa produção.

O que são sistemas de armazenamento de energia?

Sistemas de armazenamento de energia podem armazenar energia para ser usada posteriormente. Em alguns casos, haverá alguma forma de conversão de energia entre a energia armazenada e a energia fornecida. O exemplo mais comum são as baterias elétricas, como as baterias de íon-lítio ou as baterias de chumbo-ácido. Elas fornecem energia elétrica por meio de reações químicas entre os eletrodos e o eletrólito.

As baterias, ou BESS (sistema de armazenamento de energia em baterias), representam o método de armazenamento de energia mais comum usado em aplicações do dia a dia. Outros sistemas de armazenamento existem, como as usinas hidrelétricas, que convertem a energia potencial da água armazenada em uma barragem em energia elétrica. A água que cai gira o volante de uma turbina que produz energia elétrica. Outro exemplo é o gás comprimido: ao ser liberado, o gás gira a roda da turbina, produzindo energia.

O que diferencia as baterias de outros métodos de armazenamento é o seu potencial de aplicação. Desde pequenos dispositivos e sistemas de alimentação de energia para automóveis até aplicações domésticas e grandes parques solares, as baterias podem ser integradas perfeitamente a qualquer sistema de armazenamento fora da rede elétrica. Por outro lado, a energia hidrelétrica e os sistemas de ar comprimido exigem infraestruturas de armazenamento muito grandes e complexas. Isso resulta em custos muito elevados, que exigem aplicações de grande escala para se justificarem.

Casos de uso para sistemas de armazenamento fora da rede elétrica.

Como mencionado anteriormente, os sistemas de armazenamento fora da rede podem facilitar o uso e a dependência de fontes de energia renováveis, como a solar e a eólica. No entanto, existem outras aplicações que podem se beneficiar muito com esses sistemas.

As redes elétricas urbanas visam fornecer a quantidade certa de energia com base na oferta e na demanda de cada cidade. A energia necessária pode flutuar ao longo do dia. Sistemas de armazenamento fora da rede têm sido usados para atenuar essas flutuações e proporcionar maior estabilidade em casos de pico de demanda. De outra perspectiva, esses sistemas podem ser extremamente benéficos para compensar qualquer falha técnica imprevista na rede elétrica principal ou durante períodos de manutenção programada. Eles podem atender às necessidades de energia sem a necessidade de buscar fontes alternativas. Podemos citar, por exemplo, a tempestade de gelo no Texas, no início de fevereiro de 2023, que deixou aproximadamente 262.000 pessoas sem energia, enquanto os reparos foram atrasados devido às condições climáticas adversas.

Os veículos elétricos são outra aplicação. Os pesquisadores têm investido muito esforço na otimização da fabricação de baterias e nas estratégias de carga/descarga, a fim de prolongar a vida útil e a densidade de potência das baterias. As baterias de íon-lítio têm estado na vanguarda dessa pequena revolução e têm sido amplamente utilizadas em carros elétricos novos, bem como em ônibus elétricos. Baterias melhores, nesse caso, podem resultar em maior autonomia e, com as tecnologias adequadas, em tempos de carregamento reduzidos.

Outros avanços tecnológicos, como drones e robôs móveis, têm se beneficiado enormemente do desenvolvimento de baterias. Suas estratégias de movimento e controle dependem muito da capacidade e da potência fornecida pela bateria.

O que é um BESS?

Um sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS, na sigla em inglês) é um sistema que armazena energia. Essa energia pode vir da rede elétrica principal ou de fontes renováveis, como energia eólica e solar. É composto por múltiplas baterias dispostas em diferentes configurações (série/paralelo) e dimensionadas de acordo com as necessidades. Elas são conectadas a um inversor que converte a energia CC (corrente contínua) em energia CA (corrente alternada) para uso.Sistema de gerenciamento de bateria (BMS)É utilizado para monitorar as condições da bateria e a operação de carga/descarga.

Em comparação com outros sistemas de armazenamento de energia, eles são particularmente flexíveis em termos de instalação/conexão e não exigem uma infraestrutura muito cara, mas ainda assim têm um custo considerável e requerem manutenção mais regular, dependendo do uso.

Dimensionamento e hábitos de uso do BESS

Um ponto crucial a ser abordado na instalação de um sistema de armazenamento de energia em baterias é o dimensionamento. Quantas baterias são necessárias? Em qual configuração? Em alguns casos, o tipo de bateria pode desempenhar um papel crucial a longo prazo em termos de economia de custos e eficiência.

Isso é feito caso a caso, pois as aplicações podem variar de pequenas residências a grandes instalações industriais.

A fonte de energia renovável mais comum para residências pequenas, especialmente em áreas urbanas, é a energia solar fotovoltaica. O engenheiro geralmente considera o consumo médio de energia da residência e avalia a irradiação solar ao longo do ano para a localização específica. O número de baterias e sua configuração de rede são escolhidos para atender à demanda da residência durante o período de menor produção de energia solar do ano, sem, no entanto, descarregar completamente as baterias. Isso pressupõe uma solução que proporcione total independência energética da rede elétrica principal.

Manter um nível de carga relativamente moderado ou não descarregar completamente as baterias pode parecer contraintuitivo à primeira vista. Afinal, por que usar um sistema de armazenamento se não podemos extrair todo o seu potencial? Em teoria, é possível, mas talvez não seja a estratégia que maximize o retorno do investimento.

Uma das principais desvantagens dos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) é o custo relativamente alto das baterias. Portanto, escolher um hábito de uso ou uma estratégia de carga/descarga que maximize a vida útil da bateria é essencial. Por exemplo, as baterias de chumbo-ácido não podem ser descarregadas abaixo de 50% da capacidade sem sofrer danos irreversíveis. As baterias de íon-lítio têm maior densidade de energia e longa vida útil. Elas também podem ser descarregadas em faixas maiores, mas isso tem um custo mais elevado. Há uma grande variação de custo entre as diferentes composições químicas; as baterias de chumbo-ácido podem ser centenas ou até milhares de dólares mais baratas do que uma bateria de íon-lítio do mesmo tamanho. É por isso que as baterias de chumbo-ácido são as mais utilizadas em aplicações solares em países em desenvolvimento e comunidades carentes.

O desempenho da bateria é fortemente afetado pela degradação ao longo de sua vida útil; ela não apresenta um desempenho constante que termina com uma falha repentina. Em vez disso, a capacidade e a energia fornecida podem diminuir progressivamente. Na prática, considera-se que a vida útil de uma bateria chega ao fim quando sua capacidade atinge 80% da capacidade original. Em outras palavras, quando ocorre uma perda de 20% da capacidade. Na prática, isso significa que uma quantidade menor de energia pode ser fornecida. Isso pode afetar os períodos de uso de sistemas totalmente independentes e a autonomia de um veículo elétrico.

Outro ponto a considerar é a segurança. Com os avanços na fabricação e na tecnologia, as baterias recentes têm sido, em geral, mais estáveis quimicamente. No entanto, devido à degradação e ao histórico de uso indevido, as células podem entrar em fuga térmica, o que pode levar a resultados catastróficos e, em alguns casos, colocar a vida dos consumidores em perigo.

É por isso que as empresas desenvolveram softwares de monitoramento de baterias (BMS) mais eficientes para controlar o uso da bateria e também monitorar seu estado de saúde, a fim de realizar a manutenção necessária em tempo hábil e evitar consequências graves.

Conclusão

Os sistemas de armazenamento de energia em rede oferecem uma grande oportunidade para alcançar a independência energética da rede principal, além de fornecer uma fonte de energia de reserva durante períodos de queda de energia e picos de demanda. Seu desenvolvimento facilitaria a transição para fontes de energia mais limpas, limitando assim o impacto da geração de energia nas mudanças climáticas e, ao mesmo tempo, atendendo às necessidades energéticas em um cenário de crescimento constante do consumo.

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias são os mais comuns e fáceis de configurar para diversas aplicações do dia a dia. Sua alta flexibilidade é contrabalançada por um custo relativamente elevado, o que leva ao desenvolvimento de estratégias de monitoramento para prolongar ao máximo a vida útil das baterias. Atualmente, a indústria e a academia estão investindo muitos esforços na investigação e compreensão da degradação das baterias sob diferentes condições.