Artigo

Armazenamento de Energia Elétrica com Baterias: Tecnologias e Aplicações

Quais são os principais tipos de baterias, e em que contexto eles são utilizados?

Óleo & Gás

De equipamentos a projetos em uma das indústrias mais essenciais

Dados do Projeto

O Sistema de Armazenamento de Energia a Baterias (SAE), também chamado de BESS (em inglês Battery Energy Storage System), é um ativo importante para enfrentar os desafios do processo de transição energética que estamos vivendo, em que países de todo o planeta buscam a neutralidade de carbono. Mais que isso, o SAE tem grande valia para minimizara intermitência de energias renováveis como a solar e a eólica, chegando por isso a ser obrigatório por lei em algumas regiões, como a Califórnia, nos EUA.

O sistema elétrico no Brasil está caminhando para a ampliação do uso das energias renováveis. À medida que esse uso se expandir no SIN (Sistema Interligado Nacional), crescerá também a necessidade de uso do SAE.

Durante muitos anos houve preocupações em relação à segurança no uso de baterias, mas hoje pode-se dizer que o domínio da tecnologia as torna um recurso seguro, sendo inclusive alvo de vultosos investimentos ao redor do mundo.

Aplicação do SAE

O SAE pode ser implantado em redes elétricas de todos os portes e atenderá a diversas funções em toda a cadeia da energia elétrica: geração, transmissão, distribuição, junto aos consumidores e on/off-grid, com o objetivo de aumentar a confiabilidade de energia, assim como sua qualidade e retorno financeiro. Outra utilidade do SAE é a redução dos danos sociais gerados por faltas de energia. Armazenar energia significa usá-la energia em momentos de suma importância a nosso favor, orquestrando de maneira inteligente este valioso recurso.  

Como crescimento das pautas ambientais em todo o globo, estima-se que as geradoras e distribuidoras venham se engajar ainda mais nos objetivos de desenvolvimento sustentável, principalmente o ODS 7 (energia limpa e acessível) e o ODS 3(saúde e bem estar), buscando melhorias para os consumidores à medida que a descentralização do grid avança.

Alguns benefícios no uso do SAE

  1. Na operação de sistemas elétricos, é comum que haja distúrbios de frequência de curta duração, que podem ser mitigados através de reservas girantes, que exigem energia suplementar. Para garantia operacional dos sistemas, é comum utilizar energia proveniente de usinas térmicas, sendo tais usinas utilizadas inclusive nos horários de pico da demanda da energia. O armazenamento de energia pelos SAE, no entanto, pode funcionar como complemento ou mesmo substituto das usinas térmicas, fornecendo estabilidade e flexibilidade ao sistema
  2. Nas redes de transmissão e distribuição, os SAE possuem outros benefícios: a melhoria do desempenho da rede através do alívio de sobrecargas pontuais, o aprimoramento na qualidade da energia por uma melhor regulação da tensão e a mitigação da intermitência de fontes renováveis
  3. Os SAE podem contribuir para reduzir as altas taxas de falhas de energia no Brasil, um dos países que mais sofre com esse problema, minimizando as frequências e durações de blecautes de cargas críticas nas indústrias, setores públicos ou nos comércios. As faltas de energia causam prejuízos financeiros e perdas de produção proporcionais ao seu tempo de retomada, além de acarretarem multas e impactos ambientais dependendo do sistema energizado
  4. Em sistemas on/off-grids, é comum o uso de geradores a diesel por longos períodos. Geradores em stand-by, no entanto, levam minutos para atender problemas de confiabilidade de energia, enquanto baterias podem levar em torno de 16ms, podendo tal rapidez ser decisiva em alguns casos. Sendo assim o uso de baterias pode não apenas significar uma alternativa mais eficiente, mas também uma economia no consumo de diesel, reduzindo a emissão de gases estufa e ainda minimizando custos e ruídos
  5. O aumento da demanda faz que sejam necessários investimentos vultosos em subestações e linhas de transmissão, mas o uso debaterias pode ajudar a postergar ou reduzir esses investimentos, inclusive quando usado em combinação com energia solar de forma híbrida
  6. O uso de baterias permite ainda minimizar as demandas contratadas na ponta e fora dela, o que elimina multas por ultrapassagem e consequentemente reduz os custos da conta de energia

Veja o interessante gráfico do Rock Mountaim Institute: nele, podemos constatar a contribuição e os benefícios do SAE em 3 setores básicos: na transmissão, distribuição, e antes do medidor, junto às indústrias e na geração de energias renováveis.

Tecnologias usadas nas baterias

As baterias possuem diferentes perfis químicos: podemos citar baterias de LFP (Lítio Ferro Fosfato), NMC (Níquel Manganês Cobalto), NaS (Sódio Enxofre) e de Fluxo Redox (Vanádio, Fe, Zn-Br). A escolha de um determinado perfil depende da necessidade de cada projeto, levando em conta fatores como potência, tempo de carga/descarga e aplicação no grid, dentre outros. Selecionar o produto que se adapta melhor a um determinado projeto é de suma importância, devendo-se sempre respeitar os níveis de refrigeração e sobrecargas instantâneas informados pelo fabricante.

As baterias químicas LFP são geralmente usadas em ciclos curtos de carga e descarga, sendo por isso mais indicadas para fazer nivelamento de carga e regulação de frequência. As baterias de LiFePO4, por sua vez, são geralmente usadas em ciclos com média de duração entre 1 a 4 horas: são utilizadas para substituir geradores e UPS/backup, fazendo mitigação ponta-fora ponta. As baterias de NaS, no geral são usadas também em ciclos médios de 1 a 4 horas, porém em aplicações de regulação de frequência e nivelamento de cargas.

As baterias químicas listadas acima são encapsuladas e dispostas normalmente em racks dentro de um container com ar condicionado, integrando também o conjunto o elemento de gestão das baterias, chamado de BMS, o elemento que faz a conversão DC em AC, chamado de PCS,  a chave de sincronismo, as proteções e os sistemas auxiliares, como o de combate a incêndio. A interligação dessas baterias ao grid deve ser feita com trafos, proteções, medidores, hardware EMS e o desenvolvimento de softwares próprios. Elas possuem uma vida útil máximo 15 anos, devendo ser utilizadas de forma correta para evitar que se degradem rapidamente.

Além do uso de container ou eletrocentro para agrupar os equipamentos acima, há também a possibilidade do uso de baterias em painéis ao tempo IP67 de 327,5kWh, com o BMS, o supressor de incêndio e o chiller tipo liquid cooled (glicol + água). Por pouparem gastos com o uso de ar condicionado e invólucros, esse tipo de uso reduz o preço médio da energia (R$/Wh).

Por outro lado, as baterias de fluxo possuem ciclos maiores que 4 horas (podendo durar até dias) e são utilizadas em sistemasoffgrid-24x7, mitigação p-fp e peak shaving, além de nivelamento de carga, regulação de frequência e substituição de geradores. Essas baterias não necessitam de ar condicionado e não apresentam grande degradação, já que não há reações químicas, mas apenas troca de elétrons dos eletrólitos em solução aquosa. A capacidade de energia armazenada (MWh) das baterias de fluxo é determinada pela capacidade dos tanques, e o valor da potência máxima entregue (MW) ao grid é estabelecido pela vazão das bombas de circulação do eletrólito, PCS e pela célula. São baterias que possuem uma vida útil mais longa (até 25 anos).

Mais do que possuir essas informações, no entanto, para se trabalhar com aplicações de um SAE é necessário um conhecimento avançado em sistemas elétricos, pois o sucesso do projeto depende de interligar o SAE ao grid com transformadores elevadores, chaves de proteções, medidores e hardwares, usando também do desenvolvimento de softwares e de inteligência artificial.

Pontos de atenção

  1. Para se dimensionar as baterias, deve-se levar em conta sua degradação, sendo necessário considerar as perdas no container, a profundidade de descarga,  a temperatura e a performance química das baterias até o final de sua vida útil
  2. Os preços divulgados dos SAEs na mídia brasileira podem mascarar alguns detalhes importantes, como custos de importação, informações sobre a qualidade do produto e sobre a aplicação da solução em regime turn-key
  3. A tecnologia NCM deve ser usada com critério pois existe risco de explosão. Deve-se evitar seu uso para potências maiores e nunca usar produtos de baixa qualidade, seja para as baterias em si ou para o BMS (sua eletrônica de controle). Caso se opte por uma bateria de alto padrão e uma eletrônica barata, por exemplo, uma falha nessa eletrônica pode causar um curto-circuito e uma consequente destruição em escala. Ambos os produtos, portanto, devem ser de primeira linha, e o preço jamais pode ser um critério único de escolha
  4. Dicas para a mitigação de riscos embaterias: 
  • use células LFP com certificações de segurança para transporte internacional para evitar riscos de autoignição, fogo ou explosão
  • em situações em que for necessário o transporte, faça o envio das células individualmente em contêineres e pacotes de transporte de alta qualidade, sem nenhum eletrônico adicionado ou fio rígido junto às células durante o transporte
  • as soluções devem preferencialmente ser totalmente modulares, sendo montadas no local da instalação final com uma engenharia robusta para evitar os riscos e falhas de eventuais produtos defeituosos
  • não compre produtos de fornecedores que não sejam de ponta

Contexto e Desafios

Conclusão

Além dos exemplos de aplicações citados acima, podemos ressaltar que os combustíveis fósseis(carvão, petróleo e gás) são responsáveis por 75% das emissões de gases de efeito estufa no Brasil, de forma que os SAEs podem contribuir para minimizar esses impactos tanto de maneira isolada como híbrida, se associando às energias renováveis, biomassa e biocombustíveis.

Os custos das baterias estão em declínio exponencial, e a normalização do dólar frente ao real deverá tornar estas aplicações bem mais atrativas, o que pode alavancar ainda mais seu uso na indústria, no comércio e no grid, principalmente à medida que os conhecimentos sobre SAE forem se expandindo.

Soluções Utilizadas e Equipamentos Fornecidos

Especialistas

Negócios e Energia

Nicolau Bittencourt

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Armazenamento de Energia Elétrica com Baterias: Tecnologias e Aplicações

Quais são os principais tipos de baterias, e em que contexto eles são utilizados?

August 13, 2021

publicado por

Negócios e Energia

Nicolau Bittencourt

O Sistema de Armazenamento de Energia a Baterias (SAE), também chamado de BESS (em inglês Battery Energy Storage System), é um ativo importante para enfrentar os desafios do processo de transição energética que estamos vivendo, em que países de todo o planeta buscam a neutralidade de carbono. Mais que isso, o SAE tem grande valia para minimizara intermitência de energias renováveis como a solar e a eólica, chegando por isso a ser obrigatório por lei em algumas regiões, como a Califórnia, nos EUA.

O sistema elétrico no Brasil está caminhando para a ampliação do uso das energias renováveis. À medida que esse uso se expandir no SIN (Sistema Interligado Nacional), crescerá também a necessidade de uso do SAE.

Durante muitos anos houve preocupações em relação à segurança no uso de baterias, mas hoje pode-se dizer que o domínio da tecnologia as torna um recurso seguro, sendo inclusive alvo de vultosos investimentos ao redor do mundo.

Aplicação do SAE

O SAE pode ser implantado em redes elétricas de todos os portes e atenderá a diversas funções em toda a cadeia da energia elétrica: geração, transmissão, distribuição, junto aos consumidores e on/off-grid, com o objetivo de aumentar a confiabilidade de energia, assim como sua qualidade e retorno financeiro. Outra utilidade do SAE é a redução dos danos sociais gerados por faltas de energia. Armazenar energia significa usá-la energia em momentos de suma importância a nosso favor, orquestrando de maneira inteligente este valioso recurso.  

Como crescimento das pautas ambientais em todo o globo, estima-se que as geradoras e distribuidoras venham se engajar ainda mais nos objetivos de desenvolvimento sustentável, principalmente o ODS 7 (energia limpa e acessível) e o ODS 3(saúde e bem estar), buscando melhorias para os consumidores à medida que a descentralização do grid avança.

Alguns benefícios no uso do SAE

  1. Na operação de sistemas elétricos, é comum que haja distúrbios de frequência de curta duração, que podem ser mitigados através de reservas girantes, que exigem energia suplementar. Para garantia operacional dos sistemas, é comum utilizar energia proveniente de usinas térmicas, sendo tais usinas utilizadas inclusive nos horários de pico da demanda da energia. O armazenamento de energia pelos SAE, no entanto, pode funcionar como complemento ou mesmo substituto das usinas térmicas, fornecendo estabilidade e flexibilidade ao sistema
  2. Nas redes de transmissão e distribuição, os SAE possuem outros benefícios: a melhoria do desempenho da rede através do alívio de sobrecargas pontuais, o aprimoramento na qualidade da energia por uma melhor regulação da tensão e a mitigação da intermitência de fontes renováveis
  3. Os SAE podem contribuir para reduzir as altas taxas de falhas de energia no Brasil, um dos países que mais sofre com esse problema, minimizando as frequências e durações de blecautes de cargas críticas nas indústrias, setores públicos ou nos comércios. As faltas de energia causam prejuízos financeiros e perdas de produção proporcionais ao seu tempo de retomada, além de acarretarem multas e impactos ambientais dependendo do sistema energizado
  4. Em sistemas on/off-grids, é comum o uso de geradores a diesel por longos períodos. Geradores em stand-by, no entanto, levam minutos para atender problemas de confiabilidade de energia, enquanto baterias podem levar em torno de 16ms, podendo tal rapidez ser decisiva em alguns casos. Sendo assim o uso de baterias pode não apenas significar uma alternativa mais eficiente, mas também uma economia no consumo de diesel, reduzindo a emissão de gases estufa e ainda minimizando custos e ruídos
  5. O aumento da demanda faz que sejam necessários investimentos vultosos em subestações e linhas de transmissão, mas o uso debaterias pode ajudar a postergar ou reduzir esses investimentos, inclusive quando usado em combinação com energia solar de forma híbrida
  6. O uso de baterias permite ainda minimizar as demandas contratadas na ponta e fora dela, o que elimina multas por ultrapassagem e consequentemente reduz os custos da conta de energia

Veja o interessante gráfico do Rock Mountaim Institute: nele, podemos constatar a contribuição e os benefícios do SAE em 3 setores básicos: na transmissão, distribuição, e antes do medidor, junto às indústrias e na geração de energias renováveis.

Tecnologias usadas nas baterias

As baterias possuem diferentes perfis químicos: podemos citar baterias de LFP (Lítio Ferro Fosfato), NMC (Níquel Manganês Cobalto), NaS (Sódio Enxofre) e de Fluxo Redox (Vanádio, Fe, Zn-Br). A escolha de um determinado perfil depende da necessidade de cada projeto, levando em conta fatores como potência, tempo de carga/descarga e aplicação no grid, dentre outros. Selecionar o produto que se adapta melhor a um determinado projeto é de suma importância, devendo-se sempre respeitar os níveis de refrigeração e sobrecargas instantâneas informados pelo fabricante.

As baterias químicas LFP são geralmente usadas em ciclos curtos de carga e descarga, sendo por isso mais indicadas para fazer nivelamento de carga e regulação de frequência. As baterias de LiFePO4, por sua vez, são geralmente usadas em ciclos com média de duração entre 1 a 4 horas: são utilizadas para substituir geradores e UPS/backup, fazendo mitigação ponta-fora ponta. As baterias de NaS, no geral são usadas também em ciclos médios de 1 a 4 horas, porém em aplicações de regulação de frequência e nivelamento de cargas.

As baterias químicas listadas acima são encapsuladas e dispostas normalmente em racks dentro de um container com ar condicionado, integrando também o conjunto o elemento de gestão das baterias, chamado de BMS, o elemento que faz a conversão DC em AC, chamado de PCS,  a chave de sincronismo, as proteções e os sistemas auxiliares, como o de combate a incêndio. A interligação dessas baterias ao grid deve ser feita com trafos, proteções, medidores, hardware EMS e o desenvolvimento de softwares próprios. Elas possuem uma vida útil máximo 15 anos, devendo ser utilizadas de forma correta para evitar que se degradem rapidamente.

Além do uso de container ou eletrocentro para agrupar os equipamentos acima, há também a possibilidade do uso de baterias em painéis ao tempo IP67 de 327,5kWh, com o BMS, o supressor de incêndio e o chiller tipo liquid cooled (glicol + água). Por pouparem gastos com o uso de ar condicionado e invólucros, esse tipo de uso reduz o preço médio da energia (R$/Wh).

Por outro lado, as baterias de fluxo possuem ciclos maiores que 4 horas (podendo durar até dias) e são utilizadas em sistemasoffgrid-24x7, mitigação p-fp e peak shaving, além de nivelamento de carga, regulação de frequência e substituição de geradores. Essas baterias não necessitam de ar condicionado e não apresentam grande degradação, já que não há reações químicas, mas apenas troca de elétrons dos eletrólitos em solução aquosa. A capacidade de energia armazenada (MWh) das baterias de fluxo é determinada pela capacidade dos tanques, e o valor da potência máxima entregue (MW) ao grid é estabelecido pela vazão das bombas de circulação do eletrólito, PCS e pela célula. São baterias que possuem uma vida útil mais longa (até 25 anos).

Mais do que possuir essas informações, no entanto, para se trabalhar com aplicações de um SAE é necessário um conhecimento avançado em sistemas elétricos, pois o sucesso do projeto depende de interligar o SAE ao grid com transformadores elevadores, chaves de proteções, medidores e hardwares, usando também do desenvolvimento de softwares e de inteligência artificial.

Pontos de atenção

  1. Para se dimensionar as baterias, deve-se levar em conta sua degradação, sendo necessário considerar as perdas no container, a profundidade de descarga,  a temperatura e a performance química das baterias até o final de sua vida útil
  2. Os preços divulgados dos SAEs na mídia brasileira podem mascarar alguns detalhes importantes, como custos de importação, informações sobre a qualidade do produto e sobre a aplicação da solução em regime turn-key
  3. A tecnologia NCM deve ser usada com critério pois existe risco de explosão. Deve-se evitar seu uso para potências maiores e nunca usar produtos de baixa qualidade, seja para as baterias em si ou para o BMS (sua eletrônica de controle). Caso se opte por uma bateria de alto padrão e uma eletrônica barata, por exemplo, uma falha nessa eletrônica pode causar um curto-circuito e uma consequente destruição em escala. Ambos os produtos, portanto, devem ser de primeira linha, e o preço jamais pode ser um critério único de escolha
  4. Dicas para a mitigação de riscos embaterias: 
  • use células LFP com certificações de segurança para transporte internacional para evitar riscos de autoignição, fogo ou explosão
  • em situações em que for necessário o transporte, faça o envio das células individualmente em contêineres e pacotes de transporte de alta qualidade, sem nenhum eletrônico adicionado ou fio rígido junto às células durante o transporte
  • as soluções devem preferencialmente ser totalmente modulares, sendo montadas no local da instalação final com uma engenharia robusta para evitar os riscos e falhas de eventuais produtos defeituosos
  • não compre produtos de fornecedores que não sejam de ponta

Conclusão

Além dos exemplos de aplicações citados acima, podemos ressaltar que os combustíveis fósseis(carvão, petróleo e gás) são responsáveis por 75% das emissões de gases de efeito estufa no Brasil, de forma que os SAEs podem contribuir para minimizar esses impactos tanto de maneira isolada como híbrida, se associando às energias renováveis, biomassa e biocombustíveis.

Os custos das baterias estão em declínio exponencial, e a normalização do dólar frente ao real deverá tornar estas aplicações bem mais atrativas, o que pode alavancar ainda mais seu uso na indústria, no comércio e no grid, principalmente à medida que os conhecimentos sobre SAE forem se expandindo.

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