Como armazenar eletricidade fora da rede?

Nos últimos 50 anos, houve um aumento contínuo no consumo global de eletricidade, com um uso estimado de cerca de 25.300 terawatts-hora no ano de 2021. Com a transição para a indústria 4.0, há um aumento nas demandas de energia em todo o mundo. Esses números estão aumentando a cada ano, sem incluir as necessidades de energia da indústria e de outros setores econômicos. Essa mudança 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 dependem fortemente de fontes de combustíveis fósseis (petróleo e gás) para atender a essas demandas. Essas preocupações climáticas proíbem a geração adicional de energia usando 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 de fontes renováveis.

O setor energético respondeu migrando para energias renováveis ou soluções "verdes". A transição foi facilitada por técnicas de fabricação aprimoradas, levando, por exemplo, à fabricação mais eficiente de pás de turbinas eólicas. Além disso, pesquisadores conseguiram aprimorar a eficiência das células fotovoltaicas, resultando em 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 relação a 2020. A tecnologia solar fotovoltaica agora representa 3,6% da geração global de eletricidade e é atualmente a terceira maior fonte de energia renovável, depois da energia hidrelétrica e 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 a carvão e a óleo. A energia solar está disponível, por exemplo, ao longo do dia, com variações dependendo dos ângulos de irradiação solar e do posicionamento dos painéis fotovoltaicos. Ela não pode produzir energia durante a noite, enquanto 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 acopladas a sistemas de armazenamento de energia para 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 uso posterior. 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 as de íons de lítio ou as de chumbo-ácido. Elas fornecem energia elétrica por meio de reações químicas entre os eletrodos e o eletrólito.

Baterias, ou BESS (sistema de armazenamento de energia em baterias), representam o método de armazenamento de energia mais comum usado em aplicações cotidianas. Existem outros sistemas de armazenamento, como 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 o volante da turbina, produzindo energia.

O que diferencia as baterias de outros métodos de armazenamento são suas potenciais áreas de atuação. De pequenos dispositivos e fornecimento de energia para automóveis a aplicações residenciais e grandes parques solares, as baterias podem ser integradas perfeitamente a qualquer aplicação de armazenamento fora da rede. Por outro lado, os métodos de energia hidrelétrica e ar comprimido exigem infraestruturas de armazenamento muito grandes e complexas. Isso gera custos altíssimos, que exigem aplicações muito grandes para serem justificados.

Casos de uso para sistemas de armazenamento off-grid.

Como mencionado anteriormente, os sistemas de armazenamento off-grid podem facilitar o uso e a dependência de métodos de energia renovável, como a energia solar e eólica. No entanto, existem outras aplicações que podem se beneficiar significativamente desses sistemas.

As redes elétricas urbanas visam fornecer a quantidade certa de energia com base na oferta e demanda de cada cidade. A energia necessária pode variar ao longo do dia. Sistemas de armazenamento fora da rede têm sido usados para atenuar flutuações e fornecer 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 elétrica principal ou durante períodos de manutenção programada. Eles podem atender às necessidades de energia sem a necessidade de buscar fontes alternativas de energia. Pode-se 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 adiados devido às difíceis condições climáticas.

Veículos elétricos são outra aplicação. Pesquisadores têm se esforçado muito para otimizar a fabricação de baterias e as estratégias de carga/descarga, a fim de estender sua vida útil e densidade de potência. As baterias de íons de lítio têm estado na vanguarda dessa pequena revolução e têm sido amplamente utilizadas em novos carros elétricos, mas também em ônibus elétricos. Baterias melhores, neste caso, podem levar a uma quilometragem maior, mas também a tempos de carregamento mais curtos, com as tecnologias certas.

Outros avanços tecnológicos, como UAVs e robôs móveis, se beneficiaram muito do desenvolvimento de baterias. Suas estratégias de movimento e controle dependem fortemente da capacidade e da potência da bateria.

O que é um BESS

BESS, ou sistema de armazenamento de energia em bateria, é um sistema de armazenamento de energia que pode ser usado para armazenar 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 em CA para uso.sistema 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, eles são particularmente flexíveis para colocar/conectar e não exigem uma infraestrutura muito cara, mas ainda têm um custo considerável e exigem manutenção mais regular com base no uso.

Hábitos de uso e dimensionamento BESS

Um ponto crucial a ser considerado ao instalar um sistema de armazenamento de energia por bateria 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 plantas industriais.

A fonte de energia renovável mais comum para residências pequenas, especialmente em áreas urbanas, é a energia solar, utilizando painéis fotovoltaicos. O engenheiro, em geral, considera o consumo médio de energia da residência e avalia a irradiação solar ao longo do ano para o local específico. O número de baterias e a configuração da rede elétrica são escolhidos para atender à demanda da residência durante o menor período de fornecimento de energia solar do ano, sem esgotar totalmente as baterias. Isso pressupõe uma solução que garanta total independência energética da rede elétrica principal.

Manter um estado 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 pode não ser a estratégia que maximiza o retorno do investimento.

Uma das principais desvantagens do BESS é o custo relativamente alto 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, baterias de chumbo-ácido não podem ser descarregadas abaixo de 50% da capacidade sem sofrer danos irreversíveis. Baterias de íons de lítio têm maior densidade de energia e ciclo de vida longo. Elas também podem ser descarregadas usando faixas maiores, mas isso tem um custo de preço mais alto. Há uma grande variação de custo entre diferentes químicas, baterias de chumbo-ácido podem ser centenas a milhares de dólares mais baratas do que uma bateria de íons de lítio do mesmo tamanho. É por isso que as baterias de chumbo-ácido são as mais usadas em aplicações solares em países do terceiro mundo e comunidades pobres.

O desempenho da bateria é fortemente afetado pela degradação ao longo de sua vida útil; ela não tem um desempenho estável que termina em uma falha repentina. Em vez disso, a capacidade fornecida pode diminuir progressivamente. Na prática, considera-se que a vida útil de uma bateria se esgotou quando sua capacidade atinge 80% de sua capacidade original. Em outras palavras, quando ela sofre uma queda 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 quilometragem que um VE pode percorrer.

Outro ponto a considerar é a segurança. Com os avanços na fabricação e na tecnologia, as baterias recentes têm se mostrado, em geral, quimicamente mais estáveis. No entanto, devido ao histórico de degradação e abuso, as células podem entrar em descontrole térmico, o que pode levar a resultados catastróficos e, em alguns casos, colocar a vida dos consumidores em risco.

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 para fornecer manutenção oportuna e evitar consequências agravadas.

Conclusão

Os sistemas de armazenamento de energia da rede elétrica oferecem uma grande oportunidade de alcançar a independência energética da rede principal, mas também fornecem uma fonte de energia reserva durante períodos de inatividade e picos de carga. Seu desenvolvimento facilitaria a transição para fontes de energia mais sustentáveis, limitando assim o impacto da geração de energia nas mudanças climáticas e, ao mesmo tempo, atendendo às necessidades energéticas com o crescimento constante do consumo.

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias são os mais utilizados e os mais fáceis de configurar para diferentes aplicações cotidianas. Sua alta flexibilidade é contrabalançada por um custo relativamente alto, 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 muito esforço para investigar e compreender a degradação das baterias sob diferentes condições.