BESS: Uma solução para gerenciar energia proativamente

A expansão das energias renováveis e uma tendência global para o consumo eficiente de energia impulsionaram o interesse em soluções de armazenamento de energia e, particularmente, em sistemas de armazenamento de energia em bateria. A leitura deste artigo ajudará a entender o que são estes sistemas e os benefícios de usá-los.

Um BESS: o que está por trás disso?

Um sistema de armazenamento de energia de bateria (BESS) é uma solução complexa que faz uso de baterias recarregáveis para armazenar energia e liberá-la em um momento posterior. Os tipos de BESS se correlacionam com a eletroquímica ou a bateria que empregam — os sistemas podem ser baseados em baterias de íon-lítio, chumbo-ácido, níquel-cádmio, enxofre-sódio e de fluxo. Um sistema de armazenamento de energia (ESS) é um termo mais amplo e pode repousar sobre uma variedade de tecnologias além de baterias, por exemplo, energia hidrelétrica, volantes de inércia, ar comprimido e outras.

Para entender o que é um BESS e como ele funciona, isto ajudará a olhar para sua estrutura e elementos centrais:

BATERIA

A energia elétrica fornecida por diferentes fontes, tais como solar, eólica ou estações de energia, se converte em energia química durante o processo de carga da bateria. A energia liberada da bateria durante a descarga pode alimentar casas, veículos, prédios comerciais e redes. As baterias são compostas de células e podem ser dispostas em módulos, pacotes e recipientes.

SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE BATERIA (BMS)

Um BMS proporciona o funcionamento seguro e correto da bateria. Cada tipo de bateria tem certas condições de carga e descarga. Um BMS garante que a bateria permaneça dentro da faixa necessária de corrente, tensão e temperatura. Ao monitorar os parâmetros e estimar o estado de carga (SOC) e o estado de saúde (SOH) da bateria, um BMS garante seu desempenho confiável e duradouro.

SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA (PCS)

Através do uso de um sistema de conversão de energia, um BESS converte corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA) e vice-versa. A corrente alternada (CA) flui de uma fonte de energia e se converte em CC durante o carregamento da bateria. Quando a bateria é descarregada, ela produz CC, que é convertida de volta para a CA necessária para alimentar as aplicações BESS.

SISTEMA DE GERENCIAMENTO DE ENERGIA (EMS)

Um EMS é uma unidade de controle de um sistema de armazenamento de energia da bateria. Ele gerencia a energia disponível em um BESS, ou seja, quando, por quê e em que quantidades acumular ou liberar a energia. Um EMS reúne os elementos de um BESS e otimiza seu desempenho geral.

SISTEMAS DE SEGURANÇA

Pode haver uma variedade de sistemas de segurança, cada um responsável por uma tarefa específica. Por exemplo, um sistema HVAC permite que um BESS mantenha a temperatura e umidade desejadas através de aquecimento, ventilação e ar condicionado. Um sistema de proteção contra incêndio pode detectar fumaça e prevenir incidentes de incêndio.

Figura 1: Uma estrutura BESS típica. (Fonte da imagem: Integra Sources LLC)

O que um BESS pode fazer?

Todos os anos, os sistemas de armazenamento de energia em bateria fornecem energia a milhares de casas, empresas, fábricas e comunidades em todo o mundo. Eles variam em escala e capacidade de armazenamento.

Por exemplo, com 13,5 kWh de capacidade útil, o Tesla Powerwall é um dispositivo compacto que pode servir como fonte de energia ininterrupta para uma única residência. Embora com sua capacidade total de 1.600 MWh, o Vistra Moss Landing Energy Storage Facility — o maior BESS do mundo — pode fornecer energia para 300.000 casas.

Entretanto, apesar da diferença de tamanho e capacidade, o BESS pode cumprir funções semelhantes e resolver problemas semelhantes. Vamos considerar os casos em que o armazenamento de energia da bateria pode entrar em jogo.

Integração de energias renováveis

O BESS pode utilizar a energia solar e eólica de forma eficiente em todos os momentos e em todas as condições climáticas. As baterias recarregáveis podem armazenar o excesso de energia gerada por fontes renováveis intermitentes. Mais tarde, esta energia pode ser despachada de acordo com as necessidades dos usuários.

Quando integradas com soluções de armazenamento de baterias, as fontes renováveis de energia podem substituir os combustíveis fósseis, oferecendo energia barata e limpa para uma diversidade de aplicações. A integração renovável é amplamente adotada em:

• parques eólicos e solares
• comunidades fora da rede e isoladas (ilhas e áreas de difícil acesso)
• dispositivos de armazenamento doméstico de energia acoplados a painéis solares (tais como Powerwall)

Além dos sistemas fora da rede, um BESS pode suportar significativamente soluções híbridas e em rede para uso residencial, comercial e industrial.

Figura 2: Os sistemas de armazenamento de energia em bateria são amplamente utilizados em parques solares e eólicos.  (Fonte da imagem: Integra Sources LLC)

Arbitragem energética

Há uma correlação positiva entre a demanda de eletricidade e seu custo. O preço da energia aumenta durante os períodos de pico de demanda e diminui quando a demanda cai. A arbitragem energética, também conhecida como deslocamento de tempo, é o que os consumidores podem aplicar utilizando um sistema de armazenamento de baterias.

Ao carregar a bateria nas horas fora do pico de consumo, os consumidores podem comprar energia barata e armazená-la com seu BESS. Então, eles podem esperar até o preço da eletricidade subir e descarregar a bateria para usar energia de baixo custo ou vendê-la para a rede.

Assim, residências e empresas podem efetivamente administrar os recursos energéticos, reduzindo seus custos.

Gerenciamento de carga

A energia é consumida de forma diferente ao longo do dia e com base na estação — há horários de pico e fora de pico. Um BESS permite aos usuários navegar entre esses períodos, ajustar o consumo de energia e economizar nos custos de eletricidade.

A redução de pico é um dos casos mais populares de uso do BESS no gerenciamento de carga. Trata-se de reduzir o consumo de energia durante os períodos de pico. Além disso, os consumidores podem cortar suas despesas como no uso da arbitragem energética.

Uma solução de armazenamento de baterias pode ajudar a evitar picos de carga em uma rede elétrica e, consequentemente, apagões e outras emergências. Ao descarregar a energia armazenada, um BESS retira a carga da rede e fornece energia sem interrupção.

Partida às escuras

Um BESS pode ajudar as centrais elétricas e as redes elétricas a se restabelecerem rapidamente após as quedas de energia. Em vez de usar um gerador a diesel, os consumidores podem optar por um sistema de armazenamento de bateria - uma solução mais barata e mais verde de partida às escuras. Um BESS pode trabalhar independentemente da linha de transmissão da rede e fornecer energia durante o tempo necessário — de minutos a horas.

Reserva de energia

Um BESS pode fornecer energia para residências, empresas e outras instalações, garantindo seu funcionamento contínuo. Isto é de vital importância para as instituições de saúde e outras organizações que prestam serviços relacionados com a saúde e a segurança das pessoas. Dependendo da capacidade de armazenamento, um BESS pode fornecer energia de reserva pelo tempo que for necessário, mesmo no caso de uma falha grave na rede.

Controle de freqüência e tensão

A frequência e a tensão podem sair de seus limites operacionais se o fornecimento de energia estiver fora de sincronia com sua demanda real. Isto pode levar à perda de energia e a apagões. Um BESS pode garantir a estabilidade de uma rede elétrica ou sistema de energia elétrica através da regulação de tensão e frequência. Devido a seu rápido tempo de resposta, um sistema de armazenamento de energia por bateria se torna uma solução eficiente de balanceamento da rede.

Micro-rede

Estas são pequenas redes elétricas que podem fornecer eletricidade para edifícios comerciais, fábricas ou bairros quando conectadas a uma rede maior. As micro-redes autônomas podem alimentar áreas e comunidades remotas, como as ilhas. Quando combinada com um BESS e integrada com energia renovável, uma micro-rede pode atuar como um sistema de energia resiliente para vários usuários.

Figura 3: Uma micro-rede pode atuar como um sistema de energia resiliente para áreas e comunidades remotas, tais como ilhas. (Fonte da imagem: Integra Sources LLC)

Adiamento de transmissão e distribuição

As linhas de transmissão e distribuição (T&D) são propensas ao envelhecimento e à depreciação devido a picos de carga e congestionamentos. Uma solução de armazenamento de bateria pode resolver este problema assumindo o papel de ativos de T&D. Um BESS pode oferecer capacidade de armazenamento adicional e balancear cargas, adiando assim a atualização das linhas de T&D existentes e a construção de nova infra-estrutura. Isto significa poupar montes de dinheiro.

Onde um BESS pode ser melhor utilizado?

Os BESSs dependem de tecnologias acessíveis, por exemplo, o preço das baterias de íon-lítio caiu quase 90% nos últimos 10 anos e vai cair ainda mais. As soluções de armazenamento de baterias têm uma ampla gama de configurações, incluindo capacidade e tamanho de armazenamento, de modo que podem se adequar a muitas indústrias e aplicações.

Estas aplicações podem ser divididas em sistemas front-of-the-meter (FTM) ou sistemas em escala de utilização (a energia consumida é medida por um medidor de energia) e soluções behind-the-meter (BTM) ou no local (a energia consumida não pode ser conectada a uma rede e, portanto, não passa pelo medidor de energia). Aqui está uma lista de aplicações BESS FTM e BTM (que definitivamente não está completa).

Aplicações FTM

Sistemas de armazenamento de energia em bateria podem contribuir fortemente para a operação e manutenção de instalações e equipamentos em escala de utilização. O BESS pode oferecer capacidade de reserva e serviços de partida às escuras, fornecer estabilidade de tensão e frequência, e economizar dinheiro através de manutenção adiada. As aplicações do BESS FTM incluem:

• Redes elétricas públicas
• Subestações
• Linhas de transmissão e distribuição
• Centrais elétricas

Aplicações BTM

Os sistemas BTM podem fornecer energia aos consumidores, contornando uma rede elétrica. Junto com as fontes de energia verde, um BESS pode suportar incessantemente sistemas autônomos de energia ou micro redes. Os fabricantes podem usar o armazenamento da bateria para reserva de energia para evitar tempo de inatividade nas instalações de produção. Usando BESSs, as empresas e famílias podem reduzir significativamente as tarifas de eletricidade com o deslocamento de tempo da energia. Os sistemas de armazenamento de energia da bateria BTM podem ser encontrados em: 

• Instalações industriais e de fabricação
• Empresas
• Domicílios
• Veículos elétricos
• Sistemas marítimos

Figura 4: Aplicações BESS. (Fonte da imagem: Integra Sources LLC)

Faz sentido construir um BESS?

A resposta curta é sim, faz. A resposta mais longa precisa de alguns esclarecimentos.

Sem dúvida, comprar um BESS pronto economiza muito tempo e, às vezes, dinheiro. Se não houver requisitos especiais para o sistema, uma solução pronta para uso pode ser escolhida entre muitos produtos de armazenamento de energia disponíveis no mercado. Dito isto, há algumas razões que poderiam impedir um consumidor de comprar, por exemplo:

• requisitos específicos do cliente, incluindo demandas de nicho de negócios e condições operacionais
• falta das características desejadas ou características desnecessárias que aumentam o custo do sistema
• incompletude do sistema e falta de equipamento de apoio
• software de baixa qualidade
• ausência de garantia e manutenção pós-garantia

A construção de um sistema de armazenamento de energia por bateria pode ser um processo tedioso que leva tempo, dinheiro e experiência. Mas isto dá a oportunidade de criar uma solução altamente personalizada que atenda plenamente a todas as exigências de um usuário final.

Um BESS sob medida pode oferecer melhor funcionalidade, usabilidade, segurança e segurança cibernética. A implementação de algoritmos BMS avançados permitirá aos usuários melhorar o desempenho da bateria e prolongar sua vida útil. O desenvolvimento de uma solução personalizada otimiza o suporte técnico, o atendimento ao cliente e outros serviços que podem ser necessários tanto como usuário final quanto como fornecedor de BESS.

Para projetar um BESS de alta qualidade é necessária uma equipe de profissionais bem versados em tecnologias de baterias, eletrônica de potência, software embutido e desenvolvimento de hardware. É essencial organizar e harmonizar cada etapa da criação do produto, desde o projeto até a certificação e fabricação. A contratação de engenheiros com conhecimentos e experiência relevantes pode ajudar a construir um sistema completo de armazenamento de baterias que antecipa as expectativas do consumidor.

Por tudo isso, um produto personalizado não é uma bala de prata. Fazer um BESS personalizado deve ser considerado caso a caso e, para alguns projetos, uma solução pronta para uso funcionaria melhor. Para saber mais sobre BESSs feitos sob medida versus BESSs prontos para uso, leia um artigo maior sobre sistemas de armazenamento de energia de bateria na página do blog Integra Sources LLC. Aqui, os leitores também podem aprender sobre várias tecnologias e características de baterias, principais fabricantes de BESS, sistemas de armazenamento de energia alternativa e outros detalhes relacionados.