Um sistema de armazenamento de energia por bateria (BESS) armazena energia elétrica em baterias e liberta-a mais tarde, quando uma habitação, empresa ou sistema elétrico precisa dela. As células da bateria são apenas uma parte do sistema. Um BESS funcional precisa também de equipamento para monitorizar a bateria, converter potência, controlar o carregamento e descarregamento, gerir a temperatura, isolar falhas e estabelecer uma ligação segura à instalação elétrica.
Esta definição à escala do sistema é importante. Um armário cheio de células pode armazenar energia, mas não consegue decidir sozinho quando carregar, converter eletricidade em corrente contínua em corrente alternada utilizável ou coordenar-se com um edifício ou uma rede.
O que compõe um BESS
A bateria é normalmente organizada em células, módulos e conjuntos maiores, como packs, racks ou armários. A hierarquia exata varia com o produto e o projeto, mas o objetivo é consistente: reunir muitas células eletroquímicas num bloco de armazenamento utilizável, mantendo a monitorização, a ligação elétrica, o controlo térmico e a facilidade de manutenção.
Um sistema de gestão da bateria (BMS) atua mais próximo da bateria. Mede condições como a tensão e a temperatura das células, estima estados como o estado de carga, equilibra células quando a conceção o permite, comunica o estado da bateria e aplica limites de proteção. O BMS não decide a finalidade comercial do sistema. A sua responsabilidade central é manter o funcionamento da bateria dentro dos limites definidos para essa bateria e arquitetura.
Um sistema de conversão de potência (PCS) controla a conversão elétrica entre o lado de corrente contínua da bateria e o lado de corrente alternada utilizado pela maioria dos edifícios e redes elétricas. Durante o carregamento, converte e controla a potência que flui para a bateria. Durante o descarregamento, converte a energia armazenada em corrente contínua numa saída controlada em corrente alternada. Dependendo da arquitetura, a aparelhagem de manobra, os relés e as funções de isolamento associados podem estar dentro do PCS ou em torno dele.
O sistema de gestão de energia (EMS) coordena a operação a um nível superior. Pode programar o carregamento e descarregamento segundo a produção solar, os preços da eletricidade, o perfil de carga de uma instalação, uma reserva de emergência ou instruções de outro sistema de controlo. O EMS pode solicitar um ponto de funcionamento, mas esse pedido tem de respeitar os limites ativos da bateria, do conversor e do local.
Uma instalação completa inclui também o equipamento complementar do sistema. Pacific Northwest National Laboratory descreve um sistema de armazenamento de energia como o bloco de armazenamento mais equipamento de apoio, equipamento de potência, controlo e comunicação, e integração do sistema. Consoante o projeto, pode incluir cablagem, aparelhagem de manobra, transformadores, medição, aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), proteção contra incêndios e um ponto de ligação.
Como carrega e descarrega um BESS?
O carregamento começa quando existe potência elétrica disponível de uma fonte permitida, como a rede ou um sistema solar fotovoltaico. O PCS controla a conversão e o fluxo de potência para a bateria. O BMS monitoriza as condições da bateria e comunica ou impõe os limites aplicáveis nesse momento. A energia é armazenada através de reações eletroquímicas reversíveis no interior das células.
Quando o sistema descarrega, o processo ocorre no sentido inverso. A bateria liberta energia elétrica em corrente contínua e o PCS converte-a na forma necessária ao sistema de corrente alternada ligado. O EMS ou outro controlador determina quando é útil descarregar, enquanto os sistemas de proteção continuam a verificar se a operação solicitada permanece permitida.
O processo não é perfeitamente eficiente. Perde-se energia nas células, na eletrónica de potência, na cablagem e em sistemas auxiliares, como a gestão térmica. Por isso, a energia medida à entrada de um BESS é superior à energia que ele fornece posteriormente no mesmo ciclo operacional.
O ciclo de controlo continua também durante o funcionamento. Um pedido de descarga viável num determinado momento pode ter de ser reduzido se a temperatura da bateria, o estado de carga, a capacidade do conversor ou uma restrição do local mudarem. A potência de saída final resulta, assim, de um pedido operacional limitado pelo que a bateria, o PCS e o sistema ligado conseguem suportar.
Para conhecer melhor esta relação de controlo, consulte Como o PCS, o BMS e o EMS trabalham em conjunto num BESS.
Potência, energia e duração são especificações diferentes
Os sistemas de baterias são habitualmente descritos por um valor de potência e um valor de energia.
- A potência, medida em quilowatts ou megawatts, indica a rapidez com que o sistema pode carregar ou descarregar num determinado momento.
- A energia, medida em quilowatt-hora ou megawatt-hora, indica quanta energia o sistema consegue armazenar ou fornecer ao longo do tempo, dentro da fronteira de medição e dos limites de funcionamento indicados.
Uma duração simplificada pode ser estimada dividindo a energia utilizável pela potência de saída. Um sistema com 200 kWh de energia utilizável a alimentar uma carga constante de 50 kW tem uma duração idealizada de quatro horas. A operação real pode ser diferente, porque o consumo auxiliar, as perdas de conversão, as definições de reserva, as variações de carga e os limites de funcionamento reduzem ou alteram o que está disponível no ponto de utilização.
Esta distinção explica porque é que um valor de energia mais elevado não torna automaticamente um BESS mais capaz para todas as aplicações. Um sistema concebido para suportar uma carga elevada por pouco tempo precisa de um equilíbrio potência-energia diferente de um sistema destinado a alimentar uma carga menor durante muitas horas.
O que pode fazer um BESS?
Um BESS pode deslocar energia no tempo. Num local com produção solar, pode carregar quando a produção excede a procura imediata e descarregar mais tarde, quando a produção solar diminui. Numa instalação comercial, pode reduzir picos curtos de procura ou coordenar-se com a produção local. Numa instalação preparada para alimentação de emergência, pode alimentar cargas selecionadas durante uma falha de energia.
Estas aplicações não decorrem automaticamente da capacidade da bateria. Cada uma depende da conceção elétrica envolvente, dos controlos e do acordo operacional. A alimentação de emergência, por exemplo, exige um sistema capaz de se desligar adequadamente da rede, estabelecer ou acompanhar uma fonte elétrica local apropriada e alimentar as cargas selecionadas. Uma bateria carregada quando uma falha começa não está necessariamente configurada para alimentar essas cargas.
Um BESS não gera energia. Altera o momento em que a energia anteriormente fornecida fica disponível, e todos os ciclos de carga e descarga envolvem perdas. Uma única componente também não garante o desempenho de todo o sistema. Uma bateria capaz não compensa um PCS subdimensionado, uma interface de controlo incompatível ou uma conceção que não corresponda à carga e ao objetivo operacional do local.
A forma mais útil de compreender um BESS é, por isso, como um sistema elétrico coordenado. A bateria armazena energia, o BMS supervisiona a bateria, o PCS controla a conversão de potência, o EMS coordena o objetivo operacional e o equipamento complementar liga essas funções a um local real. O valor do sistema depende da qualidade com que esses elementos são concebidos para executar a tarefa necessária.
