Dominar o BESS compreendendo os componentes do sistema de armazenamento de energia da bateria

componentes do sistema de armazenamento de energia em baterias

Introdução

O atual ambiente energético está a mudar rapidamente em todo o mundo, e a razão subjacente é a necessidade de as soluções de energia serem mais sustentáveis e resistentes para fazer face às alterações climáticas. O núcleo desta revolução é o Sistema de Armazenamento de Energia em Bateria (BESS), que está a emergir rapidamente como uma tecnologia de alto nível que tem a capacidade de integrar fontes de energia renováveis intermitentes, estabilizar e desestabilizar redes e gerar energia estável no local e momento certos.

A transição energética já está em curso e, no nosso movimento em direção a um panorama energético que utilizará cada vez mais energia limpa, a contribuição do armazenamento de baterias e a quantidade de tempo que pode armazenar energia para utilização posterior é crucial. A energia renovável pode agora ser armazenada para utilização posterior sem queimar combustíveis fósseis, diminuindo assim as emissões de carbono e contribuindo para um fornecimento de energia estável a qualquer hora do dia. O funcionamento complexo e a importância de um BESS já não é uma dedicação exclusiva dos engenheiros, mas sim um conhecimento necessário que interessa a todos os investidores, decisores políticos e futuros entusiastas do sector da energia.

O artigo que se segue irá fornecer uma análise detalhada da composição do BESS até aos seus elementos vitais e lançar alguma luz sobre a centralidade destes últimos elementos. Examinaremos igualmente um tema demasiado ignorado mas, na verdade, crítico: a gestão térmica e a forma como a seleção térmica desempenha um papel essencial no aumento do desempenho dos BESS e permite-lhes alcançar uma vida útil mais longa.

O núcleo do armazenamento de energia: O que é um sistema de armazenamento de energia em bateria (BESS)?

O sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS) é um sistema complexo e integrado que se destina a armazenar a energia produzida através de várias fontes e a libertar a energia armazenada quando necessário. Intervém principalmente na cadeia de produção e procura de energia para dar flexibilidade e fiabilidade tanto às redes eléctricas como aos consumidores individuais.

Pense numa gigantesca bateria recarregável, mas muito mais avançada, capaz de processar enormes quantidades de energia e até de comunicar com a rede eléctrica de forma inteligente. As aplicações dos BESS estão a aumentar em variedade, o que se reflecte em cenários como a energia de reserva em caso de falha, o armazenamento do excesso de energia solar ou eólica para utilização posterior ou a redução do custo da energia através do corte de picos. O desenvolvimento da energia solar fotovoltaica está associado ao desenvolvimento da tecnologia BESS, que transformou a gestão da energia solar e a disponibilidade da energia mesmo na ausência de sol.

Como é que funciona?

No nível básico, um BESS funciona permitindo que a energia eléctrica seja convertida em energia química e armazenada e, mais tarde, a energia eléctrica pode ser convertida novamente em energia eléctrica, quando for necessária.

Em caso de excesso de eletricidade, como durante os picos de produção do sistema de energia solar ou quando as energias renováveis estão a produzir eletricidade em excesso, a BESS é carregada e a energia CA (da rede ou das energias renováveis) é convertida em CC para armazenar a energia nesta bateria. Por outro lado, o sistema descarrega-se quando a procura de eletricidade é elevada ou quando a produção renovável é baixa.

Quando descarregada, a energia armazenada (corrente contínua) é convertida em corrente alternada e injectada na rede ou fornecida às cargas. Toda esta oscilação entre carga e descarga é controlada por sistemas de controlo complexos para proporcionar um fluxo ótimo de energia e a estabilidade do sistema. Desta forma, o BESS ajuda o sistema energético atual a fazer a transição para um sistema energético mais sustentável.

Componentes essenciais do sistema de armazenamento de energia por bateria

Para dominar corretamente um sistema de armazenamento de energia (ESS), é desejável compreender a relação de interdependência entre os seus principais componentes. Todos os elementos são cruciais para definir o grau de eficiência, segurança e vida útil do sistema. A falha ou a ineficiência de um componente pode ter efeitos em cascata e acabar por afetar o desempenho de todo o sistema, incluindo a capacidade energética e a produção fiável de energia do sistema.

Módulos e células de bateria

Talvez a parte mais conhecida de um BESS sejam os módulos e células da bateria, que representam a base do armazenamento de energia. As células da bateria são então embaladas em módulos, e os módulos são unidos em racks ou contentores. A tecnologia da composição da célula pode variar muito, e uma célula de bateria comum que pode ser encontrada nos BESS actuais é uma célula de iões de lítio devido à sua elevada densidade energética e ciclo de vida.

A química da bateria também tem um impacto muito grande nas caraterísticas de desempenho do sistema, como o fluxo de energia, o estado de carga, a potência de saída, o ciclo de vida e as caraterísticas térmicas. Como outro exemplo, as baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP) estão a tornar-se populares como escolha para aplicações BESS, tendo melhores registos de segurança, ciclos de vida mais longos e tolerâncias ao aspeto visual do que outras variedades de baterias de iões de lítio, embora a densidade energética seja por vezes também reduzida.

Sistema de gestão da bateria (BMS)

Também designado por cérebro da bateria, um sistema de gestão da bateria (BMS) é um sistema eletrónico essencial que desempenha um papel de sentinela entre as células da bateria. As principais funções deste produto são a verificação de parâmetros importantes como a tensão da célula, a corrente e a temperatura do módulo.

Mais do que monitorizar, o BMS também equilibra as cargas das células individuais, proibindo os estados de sobrecarga ou descarga excessiva que podem reduzir significativamente a vida útil da bateria ou causar repercussões de segurança, como a fuga térmica. Um BMS que funcione corretamente é um componente obrigatório para maximizar a vida útil da bateria, funcionar em segurança e fornecer informações precisas sobre o estado de carga (SoC) e o estado de saúde (SoH) da bateria.

Também regista o número de vezes que os ciclos de carga/descarga são concluídos devido às informações valiosas relativas ao desempenho e à forma como a bateria será utilizada. Sem um BMS sofisticado, o elevado desempenho e a longa duração da nossa mais recente tecnologia de baterias não teriam sido possíveis.

Sistema de Conversão de Energia (PCS) / Inversor Bi-direcional

Quando a bateria está ligada à rede externa ou à carga, é a interface, e esta interface é o Sistema de Conversão de Energia (PCS), que é frequentemente utilizado como um sistema bidirecional inversor. O PCS utiliza a energia CA de entrada (fornecida pela rede ou por energias renováveis, por exemplo, um sistema fotovoltaico) e converte-a em energia CC para que as baterias a possam utilizar.

Por outro lado, quando chega a altura de descarregar, converte a energia CC das baterias em CA e sincroniza a sua frequência com a da rede e a tensão num determinado momento. O tamanho e a construção do PCS determinam diretamente a eficiência global de ida e volta do BESS, e os sistemas modernos podem ter eficiências superiores a 97-98%. O PCS também tem a tarefa de controlar o fluxo de energia, o controlo da tensão e a funcionalidade dos serviços de rede, o que o torna uma peça extremamente complexa e essencial. Com os sistemas de armazenamento de energia em constante evolução, será importante garantir que os seus custos tenham implicações mínimas nas facturas de eletricidade, uma vez que optimizam a utilização da energia fornecida.

Sistema de gestão da energia (SGE)

O cérebro maior é o Sistema de Gestão de Energia (EMS) que optimiza a atividade de todo o BESS. Embora o BMS seja responsável pela vida intranacional (interna) da bateria e o PCS seja responsável pela conversão de energia, o EMS determina o tempo e a forma como o BESS deve carregar e descarregar. Utiliza dados em tempo real, como o preço da eletricidade, a estabilidade da rede, a procura da rede, as previsões de energias renováveis e os perfis de carga das instalações para tomar decisões inteligentes.

Com um BESS à escala da rede eléctrica, o EMS é capaz de oferecer serviços como a regulação da frequência, a redução de picos e a transferência de carga. Também fornece serviços auxiliares, que mantêm a estabilidade da rede eléctrica através do equilíbrio entre a oferta e a procura. No caso de aplicações comerciais e industriais, o EMS pode otimizar o auto-consumo de energia solar ou envolver-se em programas de resposta à procura. Quando há uma falha de energia, o EMS é capaz de alimentar o sistema de baterias, o que garante a disponibilidade de eletricidade. Um EMS sofisticado também melhora consideravelmente a relação custo-eficácia e a flexibilidade de um BESS, pelo que proporcionará definitivamente o maior valor.

Sistemas de fecho e segurança

A proteção de todo o BESS, juntamente com a segurança de pessoas e bens, deve ser da maior importância no que diz respeito ao seu invólucro e sistemas de segurança. A segurança física contra os factores ambientais (por exemplo, temperaturas extremas, humidade, poeira) é dada pelo invólucro, que também contém todos os componentes internos, como o suporte de baterias, onde são guardados os módulos.

Para além do confinamento físico, os sistemas de segurança incorporados funcionam para detetar e neutralizar perigos prováveis. Inclui sistemas de supressão de incêndios de alta tecnologia, tais como detectores de aerossóis, agentes limpos, névoa de água ou fumo, sensores de temperatura, sistemas de ventilação, etc.

Considerando a possível ocorrência de incidentes térmicos em grandes instalações de baterias, não é apenas um mandato regulamentar, mas uma necessidade técnica que a instalação seja efectuada a um nível seguro de avaliação, tal como estabelecido em normas como a UL 9540 (Norma para Sistemas e Equipamentos de Armazenamento de Energia). Estes sistemas fornecem o beneficiário final contra quaisquer eventos inesperados, daí a sua importância inegociável no domínio da energia fiável e da estabilidade da rede.

Sistemas auxiliares e interconexões

Para além dos elementos-chave, um BESS tem um sistema de sistemas auxiliares e ligações com os quais funciona. Estes incluem:

Transformers: Para aumentar (step-up) ou diminuir (step-down) a tensão de ligação à rede eléctrica.
Aparelhos de comutação e disjuntores: Para proteger, isolar e controlar o fluxo de energia no sistema.
Cablagem e barramentos: Efetuar ligações eléctricas seguras e eficientes em todo o sistema.
Redes de comunicação: Trata-se das ligações de comunicação através das quais os dados do BMS, PCS, EMS e centros de monitorização remotos podem ser trocados (normalmente utilizando sistemas SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition).
HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado): Muito importante para permitir que todos os componentes electrónicos sensíveis e as baterias funcionem a temperaturas óptimas.

Tudo isto parece ser um pequeno pormenor, mas, estruturalmente, é essencial para garantir o bom funcionamento, a segurança e a durabilidade de todo o BESS e faz parte da capacidade energética e da produção global.

Sistemas de gestão térmica para BESS

Embora os sistemas de gestão térmica dos BESS, raramente discutidos, possam ser adicionados ao conjunto de sistemas categorizados como auxiliares, é necessário abordar este tópico com mais pormenor, uma vez que este aspeto tem uma das maiores influências no desempenho destes sistemas, na sua durabilidade e segurança. As baterias, especialmente as de iões de lítio, são propensas a alterações de temperatura. O funcionamento para além das temperaturas de funcionamento recomendadas (que é de 15 °C a 35 °C na maioria das baterias de iões de lítio) pode resultar em problemas graves.

Uma temperatura excessiva acelera a degradação, reduz a vida útil do ciclo e sujeita-o a uma fuga térmica.

Um nível de temperatura demasiado baixo pode reduzir a capacidade disponível, aumentar a resistência interna e afetar negativamente as taxas de carregamento, o que pode afetar o potencial para satisfazer a procura de energia durante períodos críticos.

A gestão térmica inteligente limita-se a manter três elementos, sobretudo os módulos da bateria e a eletrónica de potência, dentro do intervalo de funcionamento desejado em termos de temperatura. Isto é muito importante no pico, quando a energia é necessária, e o sistema deve funcionar dentro da sua capacidade máxima. As estratégias típicas de gestão térmica utilizadas nos BESS são:

o que é o sistema de armazenamento de energia em baterias (bess)

Arrefecimento/aquecimento: Movimentação de uma ventoinha sobre o ar ambiente ou ar condicionado para arrefecer ou aquecer os componentes. É uma forma rentável de controlo intermédio da temperatura e pode ser utilizada para reduzir os custos de funcionamento quando não há uma procura relativa de energia.
Arrefecimento/aquecimento líquido: A utilização de um líquido de arrefecimento (mistura de glicol e água) que circula através de placas ou canais frios, a fim de manter o contacto direto com as células ou módulos da bateria. Isto também proporciona um controlo de temperatura mais rigoroso e eficaz, especialmente em sistemas de alta densidade de potência, pelo que a energia indesejada acumulada na descarga de alta potência pode ser dissipada eficazmente.
Materiais de mudança de fase (PCMs): Materiais capazes de absorver/libertar grandes quantidades de calor latente associado a uma mudança de fase (por exemplo, de sólido para líquido) e que possam ser utilizados num sistema passivo de estabilização/regulação da temperatura para manter o sistema estável durante um consumo de energia variável ao longo de um período de tempo mais alargado.
Refrigeração/Chillers: Empregado com a utilização de arrefecimento líquido para conseguir um arrefecimento mais agressivo da temperatura de ambientes quentes ou de aplicações de alta potência e alta W. Esta é uma boa estratégia, especialmente quando se está a lidar com armazenamento de energia térmica para ser utilizada mais tarde, e se tem o cuidado de garantir que a energia armazenada não é desperdiçada em condições extremas.

A estratégia de gestão térmica será escolhida em função da dimensão do BESS, da aplicação, do clima ambiente e das caraterísticas de desempenho pretendidas.

Importância do arrefecimento eficaz no desempenho e longevidade do BESS

A gestão térmica de um BESS tem uma relação irrevogável com a eficiência e o tempo de vida do BESS, especialmente a redundância e a eficácia das medidas de arrefecimento. Uma má refrigeração não só causa muitos inconvenientes, como também é um caminho direto para a degradação prematura do sistema, para a ineficiência do funcionamento e para o aumento dos riscos de segurança. Uma gestão eficaz da temperatura garantirá a redução do custo da eletricidade durante um longo período de tempo, um fluxo de energia eficaz e a otimização total da capacidade de produção.

Basta pensar no seguinte: cada vez que a temperatura ultrapassa a gama ideal em 10 °C, a vida útil de uma bateria de iões de lítio pode ser reduzida em 50 por cento. Este declínio super-linear é diretamente transferido para uma enorme quantidade de dinheiro perdido em operações de BESS devido à redução da vida útil dos seus activos e aos custos crescentes das suas substituições. Além disso, um funcionamento a temperaturas elevadas diminui a eficiência energética da bateria, ou seja, é menos eficiente em termos energéticos, dissipando mais energia sob a forma de calor durante os processos de carga e descarga, diminuindo assim a eficiência global de ida e volta do sistema e aumentando os seus custos operacionais. Uma má gestão térmica pode causar pontos quentes locais nos piores cenários, o que faz com que a degradação da célula ocorra mais rapidamente e que haja um risco de fuga térmica, uma reação em cadeia que pode culminar num incêndio.

Através da utilização de uma gestão térmica optimizada, os sistemas BESS são mais adequados para gerir os custos de eletricidade durante os períodos de pico de procura, que por sua vez armazenam o excesso de energia e utilizam-na mais tarde, reduzindo assim os custos operacionais globais ao longo do tempo e aumentando o número de dependências da rede em períodos de carga energética sustentada.

Aspeto	Impacto de uma refrigeração inadequada	Benefícios de um arrefecimento eficaz
Tempo de vida da bateria	Reduzido até 50% por cada aumento de 10°C acima do ótimo.	Prolonga a vida útil da bateria, maximizando o ROI.
Eficiência do sistema	Maior perda de energia, menor eficiência na viagem de ida e volta.	Optimiza a transferência de energia, reduz os custos operacionais.
Riscos de segurança	Maior probabilidade de fuga térmica e incêndio.	Reduz os riscos de segurança e garante um funcionamento seguro.
Saída de desempenho	Diminuição da capacidade e da potência, especialmente em climas quentes.	Mantém a capacidade nominal e a potência de saída.
Custos de manutenção	Substituição mais frequente de componentes devido a sobreaquecimento.	Reduz a frequência e os custos de manutenção.

Soluções ACDCFAN: Arrefecimento à medida para os seus componentes BESS

É aqui que as soluções de arrefecimento especializadas se revelam essenciais e transformam o que seriam os pontos fracos do seu BESS nos seus pontos fortes. Na ACDCFAN, onde acumulámos mais de duas décadas de experiência, também percebemos os requisitos subtis das infra-estruturas estratégicas de energia. Como um dos fabricantes mais profissionais, produzimos ventiladores axiais e radiais AC de alta qualidade, ventiladores axiais e radiais DC e ventiladores axiais EC em pormenor, para satisfazer as exigências rigorosas dos componentes BESS.

O nível de engenharia de alta qualidade reflecte-se diretamente nas vantagens económicas do seu BESS. Por exemplo, temos ventiladores de arrefecimento de inversores em que as estruturas são feitas da melhor liga de alumínio ADC-12 com a adição de 3-5 cobre %. Através desta liga exclusiva, obtém-se um desempenho 30 por cento mais duradouro dos ventiladores, uma caraterística importante para a capacidade operacional estável e invariável a longo prazo dos seus sistemas de conversão de energia. Os nossos ventiladores não só são fiáveis, como também produzem uma excelente vida útil de 70.000 horas a 40 o C. Os nossos ventiladores podem funcionar a temperaturas elevadas de -40 o C a 120 o C. Esta longevidade garantirá que o seu BESS é mantido em excelentes condições térmicas até ao ponto de cargas operacionais extremas.

Compreendendo os vários e desafiantes ambientes BESS, a ACDCFAN concentra-se no fornecimento de ventiladores DC de alta qualidade com motores avançados sem escovas. Isto permite que os nossos ventiladores utilizem um impressionante grau de proteção IP68, uma excecional entrada de ar para poeiras/água, bem como capacidades anti-névoa salina, que são vitais em ambientes costeiros ou húmidos.

Os nossos produtos são totalmente certificados em CE, UL, RoHS, e EM, e a qualidade é garantida. Nós fornecemos-lhe a excelência como uma qualidade constante, e você deve saber que as suas peças BESS trabalham dentro dos envelopes térmicos que lhes proporcionam uma longa durabilidade para dar o máximo retorno ao seu investimento. Graças a uma produção eficaz, reduzimos o tempo de entrega dos nossos ventiladores axiais ao mínimo, apenas 1-2 semanas, para manter os seus projectos a funcionar a tempo e com custos mais baixos.

o que é um sistema de armazenamento de energia em bateria

Conclusão

A adoção de um sistema de armazenamento de energia por bateria é muito mais do que a simples compra de baterias. Requer uma base de conhecimento integrada das suas partes complexas, tais como os módulos de armazenamento de energia da bateria, o BMS de proteção, o PCS de conversão de energia, o EMS de otimização e os sistemas de segurança e de deteção. Todos eles são rodas cruciais de um mecanismo complicado, com o objetivo de transformar o nosso futuro energético. Com a energia solar e outras fontes de energia renováveis a tornarem-se mais cruciais, os sistemas de armazenamento de baterias são fundamentais para a gestão do fornecimento de energia e para a transição da energia do sector fóssil para o sector da energia fóssil.

No entanto, a gestão térmica pode ser entendida como um elemento primário da sustentabilidade operacional e a longo prazo de um BESS. O arrefecimento inteligente e proactivo com as suas ventoinhas de alto desempenho não pode ser considerado uma caraterística agradável, mas sim um requisito não negociável para garantir a longevidade das baterias, a eficiência e uma elevada consideração pela segurança do sistema.

Investir em sistemas de arrefecimento de alta qualidade significa que os promotores e operadores de BESS podem não só proteger as suas participações, mas também otimizar o seu investimento e ser capazes de assegurar o seu investimento com confiança e contribuir ativamente para um melhor sistema energético com mais resiliência e sustentabilidade, assumindo um papel importante na atual transição energética.