Um Overview sobre Sistemas de Armazenamento em Baterias

om as crescentes medidas de descarbonização e os incentivos às fontes sustentáveis, os sistemas de armazenamento em baterias representam alternativas emergentes (e sólidas) na redução da dependência de grupos geradores à diesel e no controle da sazonalidade de fontes renováveis. Isso ocorre, porque os Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias (SAEB) ou Battery Energy Storage System (BESS) permitem a captação de energia elétrica, de fontes renováveis ou não-renováveis, e a distribuição otimizada da energia armazenada, com base nos objetivos do projeto de instalação. [1]

Uma das principais características da tecnologia está relacionada com a versatilidade e diversidade de aplicações possíveis. Graças ao desenvolvimento de novas células eletroquímicas, evoluções no processo fabril e avanços nas estratégias de controle de conversores de potência, hoje, há possibilidade de que os sistemas de armazenamento sejam inseridos dentro e fora do sistema de distribuição e transmissão de energia, em diversas escalas de capacidade de armazenamento e fornecimento de energia (de kWh até MWh). [2]

As aplicações de um sistema de armazenamento dependem de algumas características, como a arquitetura de implementação, a capacidade de armazenamento, os conversores de potência associados, os períodos e as fontes de recarga disponíveis e as dinâmicas pré-definidas de despacho de energia. Uma vez estabelecido em projeto, um único sistema de armazenamento pode desempenhar diferentes funções. Cada nível de aplicação (residencial, comercial, industrial ou utility) apresenta características próprias e diferentes empregos de sistemas de armazenamento em baterias. Algumas das aplicações mais usuais dos sistemas de armazenamento são: Peak shaving, load shifting, backup, reforço de potência e microrrede. [3] 

LISTA DE APLICAÇÕES:

• Deslocamento de carga.
• Solar power smoothing.
• Peak shaving. 
• Backup.
• Microrrede.
• Estações de carregamento.
• Black start.
• Qualidade de energia.
• Serviços ancilares.

• Peak shaving: As multas de ultrapassagem de demanda são uma das maiores vilãs das unidades consumidoras do Grupo A. Em sistemas de armazenamento com monitoramento em tempo real da rede convencional, há possibilidade de parametrização e limitação da potência entregue pela concessionária. Quando próximo dos limites estabelecidos, o banco de baterias assume parcela da carga necessária para manutenção da demanda da rede dentro dos limites de contratação.  
• Load shifting: Muitas instalações possuem um perfil de utilização das cargas que não permite um bom desempenho de sistemas de geração fotovoltaicos (baixo autoconsumo) e/ou que, mesmo com contramedidas, ainda apresentam demandas de carga significativas em horários de ponta. O deslocamento de carga consiste no carregamento do banco de baterias com energia excedente de sistemas fotovoltaicos (ou de outras fontes renováveis) ou com a própria concessionária, desde que, fora do horário de ponta; e a realização da descarga do sistema de armazenamento, nos momentos de baixa disponibilidade, para atendimento parcial ou total das cargas.  
• Backup: O dimensionamento de sistemas de armazenamento e a escolha das células de armazenamento, em geral, consideram longos períodos de autonomia (de 3h até 12h). No caso de falhas no sistema de distribuição ou manutenções programadas, o sistema consegue manter o funcionamento de cargas críticas, enquanto houver energia armazenada suficiente (cerca de 20% a 30% da capacidade total do banco de baterias), sem que as cargas identifiquem a transição entre as fontes.
• Reforço de potência: Muitas vezes, expansões de linhas de produção e aquisição de maquinários representam mudanças tão significativas no perfil de carga, que são necessárias mudanças no padrão de entrada da unidade consumidora. Os encargos das mudanças ficam sob a responsabilidade do empreendimento, levam tempo e requerem uma série de etapas perante a concessionária de energia. Com uma operação semelhante ao deslocamento de carga e ao peak shaving, o reforço de potência foca no atendimento de cargas que ultrapassam a capacidade da unidade consumidora. O atendimento da parcela de demanda que a infraestrutura atual da rede não suporta, através do banco de baterias, permite o atraso de investimentos de reforço e facilita mudanças na planta de interesse.      

Grande parte das aplicações só se dá, em decorrência da estrutura do sistema de armazenamento de energia em baterias. Cada parte do sistema apresenta uma ou mais funções que, em conjunto, tornam possíveis as aplicações e garantem a confiabilidade do sistema. [4] 

As principais componentes de um sistema de armazenamento são: Módulos de armazenamento, Battery Management System, Power Conversion System, Energy Management System, Sistemas de proteção e Encapsulamento.

• Módulos de armazenamento: Os módulos de armazenamento são compostos pelos arranjos de células de baterias e representam os elementos efetivos de armazenamento do sistema. Os módulos são conectados em série e/ou em paralelo, geralmente, dispostos em racks, até a obtenção da capacidade de armazenamento desejada.  

• Battery Management System (BMS): O sistema de gestão das baterias atua na manutenção da vida útil das células eletroquímicas, através do monitoramento de parâmetros chave, como a temperatura nos terminais, a tensão das células e a corrente nas strings, e garante que o sistema opere em condições adequadas, durante a carga ou descarga das baterias. Também são estimados o estado de carga atual (SoC), ou energia disponível armazenada nas baterias, e a porcentagem de vida útil dos módulos (SoH).   

• Power Conversion System (PCS): O sistema de conversão de potência realiza a interface do sistema de armazenamento com as cargas e com as outras fontes de energia disponíveis na planta. Ele determina as especificações da energia fornecida e os requisitos de rede da aplicação. O condicionamento da energia acontece via diferentes conversores de potência que, dependendo das suas características, permitem o fluxo bi ou unidirecional de energia. Em casos que precisam de isolação galvânica, transformadores também fazem parte do sistema de conversão de potência.

• Energy Management System (EMS): O sistema de gestão de energia realiza o controle do fluxo de potência, determinando os momentos de carga e descarga do banco de baterias, com tomada de decisão estratégica baseada em funções de otimização da performance ou rentabilidade e nos parâmetros, em tempo real, do sistema de armazenamento e do mercado de energia.

• Sistemas de proteção: Os sistemas de proteção atuam em condições anormais do sistema e garantem que não haja danos aos equipamentos e/ou pessoas, durante manutenções ou possíveis falhas de operação. Dentro de um sistema de armazenamento, estão presentes sistemas de proteção contra surtos elétricos, sistemas de desacoplamento, sistemas de detecção e supressão de incêndios, sistemas de ventilação e sistemas de controle de temperatura. Em alguns casos, também são aplicados sistemas de monitoramento com câmeras.

• Encapsulamento: Grande parte dos sistemas de armazenamento são alocados em contêineres que permitem que o sistema seja montado, comissionado e enviado com segurança aos locais de instalação, além de protegerem o sistema contra intempéries e outros agentes prejudiciais.      

Atualmente, os sistemas de armazenamento vêm sendo usados no fortalecimento de sistemas autônomos de distribuição de energia elétrica, tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada, adicionando estabilidade e qualidade ao despacho de energia por longos períodos, e, assim aumentando a vida útil de máquinas e equipamentos. Com os crescentes avanços nos processos produtivos de tecnologias emergentes e conversores com estratégias de controle cada vez mais completas, a expectativa é que, nos próximos anos, os sistemas de armazenamento sejam ativos com impacto relevante no sistema energético nacional, como já acontece em outros lugares do mundo.

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REFERÊNCIAS

[1] S. Bouckaert, A. F. Pales, C. McGlade, U. Remme, and B. Wanner, “Net zero by 2050: A roadmap for the global energy sector”, tech. rep., International Energy Agency, 2021.

[2]  T. L. Fantham and D. T. Gladwin, “Impact of cell balance on grid scale battery energy storage systems”, Energy Reports, vol. 6, pp. 209–216, 2020. 4th Annual CDT Conference in Energy Storage Its Applications.

[3] M. Chamana, I. Mazhari, B. Parkhideh, and B. H. Chowdhury, “Multimode operation of different pv/bess architectures in a microgrid: Grid-tied and island mode,” in 2014 IEEE PES TD Conference and Exposition, pp. 1–5, 2014.

[4] P. Unahalekhaka and P. Sripakarach, "Reduction of Reverse Power Flow Using the Appropriate Size and Installation Position of a BESS for a PV Power Plant," in IEEE Access, vol. 8, pp. 102897-102906, 2020.