Como armazenar eletricidade fora da rede?

Nos últimos 50 anos, tem havido um aumento contínuo no consumo global de eletricidade, com uma utilização estimada em cerca de 25.300 terawatts-hora no ano de 2021. Com a transição para a indústria 4.0, há um aumento na procura de energia em todo o mundo. Estes números aumentam todos os anos, sem incluir as necessidades energéticas dos sectores industriais e de outros sectores económicos. Esta mudança industrial e o elevado consumo de energia estão associados a efeitos mais tangíveis das alterações climáticas devido às emissões excessivas de gases com efeito de estufa. Actualmente, a maioria das centrais e instalações de produção de energia dependem fortemente de fontes de combustíveis fósseis (petróleo e gás) para satisfazer essas exigências. Estas preocupações climáticas proíbem a geração adicional de energia utilizando 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 sector da energia respondeu mudando para energias renováveis ou soluções “verdes”. A transição foi ajudada por técnicas de fabrico melhoradas, conduzindo, por exemplo, a um fabrico mais eficiente de pás de turbinas eólicas. Além disso, os pesquisadores conseguiram melhorar a eficiência das células fotovoltaicas, levando a uma melhor geração de energia por área de utilização. Em 2021, a geração de eletricidade a partir de fontes solares fotovoltaicas (PV) aumentou significativamente, atingindo um recorde de 179 TWh e representando um crescimento de 22% em relação a 2020. A tecnologia solar fotovoltaica representa agora 3,6% da geração global de eletricidade e é atualmente a terceira maior energia renovável. fonte de energia depois da energia hidrelétrica e eólica.

No entanto, estes avanços não resolvem algumas das desvantagens inerentes aos sistemas de energias renováveis, principalmente a disponibilidade. A maioria desses métodos não produz energia sob demanda, como as usinas de carvão e petróleo. As saídas de energia solar estão disponíveis, por exemplo, durante todo o dia, com variações dependendo dos ângulos de irradiação solar e do posicionamento do painel fotovoltaico. Não consegue produzir energia durante a noite, enquanto a sua produção é significativamente reduzida durante o inverno e em dias muito nublados. A energia eólica também sofre flutuações dependendo da velocidade do vento. Portanto, estas soluções precisam ser acopladas a sistemas de armazenamento de energia, a fim de sustentar o fornecimento de energia durante períodos de baixa produção.

O que são sistemas de armazenamento de energia?

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

As baterias, ou BESS (sistema de armazenamento de energia de bateria), representam o método de armazenamento de energia mais comum usado em aplicações da vida diária. Existem outros sistemas de armazenamento, como usinas hidrelétricas, que convertem a energia potencial da água armazenada em uma barragem em energia elétrica. A queda da água girará o volante de uma turbina que produz energia elétrica. Outro exemplo é o gás comprimido, ao ser liberado o gás girará a roda da turbina produzindo energia.

O que separa as baterias dos outros métodos de armazenamento são as suas potenciais áreas de operação. Desde pequenos dispositivos e fornecimento de energia para automóveis até aplicações domésticas e grandes parques solares, as baterias podem ser integradas perfeitamente em qualquer aplicação de armazenamento fora da rede. Por outro lado, a energia hidroeléctrica e os métodos de ar comprimido requerem infra-estruturas de armazenamento muito grandes e complexas. Isto conduz a custos muito elevados que requerem aplicações muito grandes para que seja justificado.

Casos de uso para sistemas de armazenamento fora da rede.

Como mencionado anteriormente, os sistemas de armazenamento fora da rede podem facilitar a utilização e a dependência de métodos de energia renovável, como a energia solar e eólica. No entanto, existem outras aplicações que podem beneficiar enormemente de tais 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 variar ao longo do dia. Sistemas de armazenamento fora da rede têm sido utilizados para atenuar flutuações e proporcionar mais estabilidade em casos de pico de demanda. De uma perspectiva diferente, os sistemas de armazenamento fora da rede podem ser altamente benéficos para compensar qualquer falha técnica imprevista na rede eléctrica principal ou durante períodos de manutenção programados. Eles podem atender aos requisitos de energia sem ter que procurar fontes alternativas de energia. Pode-se citar, por exemplo, a tempestade de gelo no Texas, no início de Fevereiro de 2023, que deixou cerca de 262 000 pessoas sem energia, enquanto as reparações foram adiadas devido às difíceis condições meteorológicas.

Os veículos elétricos são outra aplicação. Os pesquisadores têm se esforçado muito para otimizar a fabricação de baterias e as estratégias de carga/descarga, a fim de prolongar a vida útil e a densidade de energia das baterias. As baterias de iões de lítio têm estado na vanguarda desta pequena revolução e têm sido amplamente utilizadas em novos carros elétricos, mas também em autocarros elétricos. Neste caso, baterias melhores podem levar a uma quilometragem maior, mas também a tempos de carregamento reduzidos com as tecnologias certas.

Outros avanços tecnológicos, como UAVs e robôs móveis, se beneficiaram enormemente com o desenvolvimento de baterias. Suas estratégias de movimento e estratégias de controle dependem fortemente da capacidade da bateria e da energia fornecida.

O que é um BESS

BESS ou sistema de armazenamento de energia de bateria é um sistema de armazenamento de energia que pode ser usado para armazenar energia. Esta energia pode vir da rede principal ou de fontes de energia renováveis, como a energia eólica e a energia solar. É composto por múltiplas baterias dispostas em diferentes configurações (série/paralelo) e dimensionadas de acordo com as necessidades. Eles estão conectados a um inversor que é usado para converter a energia CC em energia CA para uso. UMsistema de gerenciamento de bateria (BMS)é usado para monitorar as condições da bateria e a operação de carga/descarga.

Em comparação com outros sistemas de armazenamento de energia, são particularmente flexíveis de instalar/ligar e não requerem uma infraestrutura altamente dispendiosa, mas ainda assim têm um custo considerável e requerem uma manutenção mais regular com base na utilização.

Dimensionamento BESS e hábitos de uso

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

Isto é feito caso a caso, pois as aplicações podem variar desde pequenas residências até grandes instalações industriais.

A fonte de energia renovável mais comum para pequenas famílias, especialmente em áreas urbanas, é a energia solar através de painéis fotovoltaicos. O engenheiro, em geral, consideraria o consumo médio de energia da residência e avaliaria a irradiância solar ao longo do ano para o local específico. O número de baterias e sua configuração de rede são escolhidos para atender às demandas domésticas durante o menor fornecimento de energia solar do ano, sem esgotar totalmente as baterias. Isto pressupõe uma solução para ter total independência energética da rede principal.

Manter um estado de carga relativamente moderado ou não descarregar completamente as baterias é algo que pode ser contra-intuitivo a princípio. Afinal, por que usar um sistema de armazenamento se não conseguimos extrair todo o seu potencial? Em teoria é possível, mas pode não ser a estratégia que maximiza o retorno do investimento.

Uma das principais desvantagens do BESS é o custo relativamente elevado das baterias. Portanto, é essencial escolher um hábito de uso ou uma estratégia de carga/descarga que maximize a vida útil da bateria. Por exemplo, as baterias de chumbo-ácido não podem ser descarregadas abaixo de 50% da capacidade sem sofrer danos irreversíveis. As baterias de íon de lítio têm maior densidade de energia e ciclo de vida longo. Eles também podem ser descarregados em faixas maiores, mas isso tem um custo maior. Há uma grande variação no custo entre os diferentes produtos químicos; as baterias de chumbo-ácido podem ser centenas a milhares de dólares mais baratas do que uma bateria de íon de lítio do mesmo tamanho. É por isso que as baterias de chumbo-ácido são as mais utilizadas em aplicações solares em países do terceiro mundo e em comunidades pobres.

O desempenho da bateria é fortemente afetado pela degradação durante sua vida útil, ela não possui um desempenho estável que termina em falha repentina. Em vez disso, a capacidade fornecida pode diminuir progressivamente. Na prática, considera-se que a vida útil de uma bateria acabou quando a sua capacidade atinge 80% da sua capacidade original. Em outras palavras, quando ocorre um desvanecimento de 20% da capacidade. Na prática, isto significa que uma quantidade menor de energia pode ser fornecida. Isto pode afetar os períodos de utilização de sistemas totalmente independentes e a quantidade de quilometragem que um VE pode cobrir.

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 ao histórico de degradação e abuso, 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 um melhor software de monitoramento de bateria (BMS) para controlar o uso da bateria, mas também monitorar o estado de saúde, a fim de fornecer manutenção oportuna e evitar consequências agravadas.

Conclusão

Os sistemas de armazenamento de energia da rede oferecem uma grande oportunidade para alcançar a independência energética da rede principal, mas também fornecem uma fonte de energia de reserva durante tempos de inatividade e períodos de pico de carga. O seu desenvolvimento facilitaria a mudança para fontes de energia mais verdes, limitando assim o impacto da produção de energia nas alterações climáticas, ao mesmo tempo que satisfazia as necessidades energéticas com um crescimento constante do consumo.

Os sistemas de armazenamento de energia da bateria são os mais comumente usados e os mais fáceis de configurar para diferentes aplicações cotidianas. A sua elevada flexibilidade é contrabalançada por um custo relativamente elevado, levando ao desenvolvimento de estratégias de monitorização para prolongar ao máximo a respetiva vida útil. Atualmente, a indústria e a academia estão se esforçando muito para investigar e compreender a degradação das baterias sob diferentes condições.