Série de Quizzes Brevemito · Episódio 7

Armazenamento de Energia: o que a bateria guarda quando o Sol se põe

Do painel solar à tomada de casa há um intervalo de horas que só a bateria consegue preencher. Entenda como esse armazenamento acontece, o vocabulário técnico por detrás dele e como escolher a tecnologia certa.

Numa instalação fotovoltaica autónoma, o painel produz energia principalmente entre o meio da manhã e o meio da tarde. As luzes da sala, a bomba de água e o frigorífico continuam a precisar de energia muito depois de o Sol se pôr. Se não houver forma de guardar o que foi produzido durante o dia, tudo o que não é consumido nesse período simplesmente se perde.

É exactamente esse o papel do armazenamento de energia. Nos artigos anteriores desta série já falámos de electricidade básica, de energias renováveis, de eficiência energética e de electricidade solar fotovoltaica; chegou agora o momento de olhar para a peça que torna útil, à noite, a energia que o Sol entregou de dia: a bateria.

O que é, afinal, armazenamento de energia?

O primeiro ajuste de mentalidade importante é este: a bateria não é uma fonte de energia. É um meio de armazenamento que guarda energia previamente produzida (por um painel solar, por um gerador ou pela rede eléctrica) e a liberta mais tarde, quando é necessária.

A analogia mais simples é o depósito de combustível de um automóvel. O depósito não gera combustível; ele guarda o que foi colocado numa bomba de gasolina, para que o motor o possa usar mais tarde, aos poucos, conforme a viagem avança. Uma bateria funciona da mesma forma com a energia eléctrica: absorve energia através de uma reacção química reversível quando está a ser carregada e liberta essa energia quando está a alimentar as cargas.

Numa instalação de energias renováveis, este princípio abre um conjunto de aplicações concretas:

• Utilização nocturna da energia solar, guardando durante o dia a energia que será consumida à noite.
• Cobertura de períodos sem produção fotovoltaica, como dias muito nublados ou de menor irradiação.
• Apoio à rede eléctrica e funções avançadas em sistemas ligados à rede.
• Fornecimento de corrente de arranque para motores, compressores e bombas, que exigem picos elevados de corrente no momento em que arrancam.
• Estabilização da tensão do sistema, mesmo quando a produção solar varia (por exemplo, quando uma nuvem passa) ou quando uma carga aumenta subitamente.
• Sistemas autónomos e sistemas de backup, que continuam a funcionar mesmo sem ligação à rede ou durante uma falha desta.
• Micro-redes e projectos de armazenamento comunitário de energia.
• Armazenamento portátil, presente em praticamente todos os dispositivos electrónicos do dia a dia.

Como funciona uma bateria, por dentro

Dentro de qualquer bateria recarregável há sempre a mesma estrutura básica, ainda que os materiais mudem de tecnologia para tecnologia:

• Ânodo (placa negativa) e cátodo (placa positiva): os dois eléctrodos entre os quais a reacção química acontece.
• Electrólito: o meio através do qual os electrões são conduzidos entre o ânodo e o cátodo.
• Separador: mantém o ânodo e o cátodo fisicamente separados dentro de cada célula.
• Célula: a unidade básica formada por ânodo, cátodo, separador e electrólito.
• Terminais: os pontos de ligação positivo e negativo da bateria.
• Ligação de células em série: várias células ligadas internamente em série somam a sua tensão individual, construindo a tensão total da bateria.

A reacção química que ocorre dentro da bateria é reversível: absorve energia quando a bateria está a ser carregada e liberta-a quando a bateria está a alimentar uma carga. É esse mesmo processo (carregar e descarregar) que se repete, ciclo após ciclo, ao longo da vida útil da bateria.

Vocabulário essencial das baterias

Antes de avançar para as tecnologias e para a escolha de uma bateria, é preciso dominar alguns termos que aparecem em qualquer conversa técnica sobre armazenamento de energia.

DOD, profundidade de descarga

Depth of Discharge (DOD) é a percentagem da capacidade total da bateria que já foi retirada, ou seja, o quão “drenada” a bateria está num determinado momento.

SOC, estado de carga

State of Charge (SOC) é a percentagem de capacidade que ainda resta na bateria, isto é, o quão “cheia” ela está.

DOD e SOC são inversamente proporcionais e relacionam-se assim:

Estes dois valores importam porque cada tecnologia tolera de forma diferente descargas profundas. Baterias de chumbo-ácido podem ser danificadas se forem levadas abaixo de um DOD de cerca de 80%; algumas tecnologias, como iões de lítio e níquel-ferro, podem ser descarregadas até 90 a 95% de DOD sem dano. Em geral, quanto mais profunda a descarga regular, menor o número de ciclos que a bateria consegue oferecer ao longo da sua vida, por isso vale sempre seguir as recomendações do fabricante.

DOA, autonomia em dias

Days of Autonomy (DOA) é o número de dias que um banco de baterias consegue alimentar as cargas sem ser recarregado e sem atingir o DOD máximo definido em projecto. É um parâmetro típico de sistemas autónomos, onde é preciso prever dias sem produção solar suficiente.

Ciclo de vida (cycle life)

É o número total de ciclos de carga e descarga que uma bateria consegue suportar antes de chegar ao fim da sua vida útil. Um ciclo típico corresponde, por exemplo, a uma noite de consumo a partir do banco de baterias seguida de um dia de recarga pelo painel solar.

BMS, Battery Management System

O BMS é o sistema de gestão da bateria: monitoriza a tensão de cada célula, o estado de carga, a temperatura e a corrente de entrada e saída. A sua função é impedir sobrecarga, descarga excessiva ou operação fora da faixa de temperatura segura. Em baterias de iões de lítio de qualidade, o BMS não é opcional; é um requisito para evitar falhas catastróficas da bateria.

Eficiência das baterias

Nenhum sistema de armazenamento é perfeito. Parte da energia que entra numa bateria não sai de volta, porque a reacção química de carga e descarga tem perdas inerentes. A eficiência de uma bateria é dada por:

A tensão de uma bateria é normalmente mais alta durante o carregamento do que durante a descarga; como watts = volts × amperes, a mesma corrente equivale a menos watts numa tensão de descarga mais baixa, o que explica parte dessa perda.

A eficiência típica varia por tecnologia: baterias de chumbo-ácido e de níquel-ferro rondam os 80% a 90% (com o chumbo-ácido inundado próximo dos 85%); baterias de iões de lítio situam-se entre 90% e 98% (geralmente perto de 95%), porque a sua tensão varia menos durante a descarga.

É importante lembrar que a eficiência da bateria não é a única perda do sistema. No dimensionamento de uma instalação solar, é preciso contar também com a eficiência dos componentes electrónicos associados, como o carregador AC/DC e o inversor, que introduzem as suas próprias perdas.

Capacidade da bateria: quanto ela guarda

A capacidade é a forma de medir quanta energia uma bateria consegue armazenar. Historicamente, e em especial no chumbo-ácido, a capacidade é indicada em ampere-hora (Ah): pense nisto como “a bateria pode fornecer X amperes durante uma hora”.

Muitas fichas técnicas de baterias de chumbo-ácido apresentam a capacidade associada a uma taxa C/h (por exemplo, C/20 ou C/100). Uma taxa C/20 significa que a capacidade indicada corresponde a uma descarga completa em 20 horas; descarregada mais lentamente (a corrente mais baixa), a mesma bateria tem uma capacidade maior em Ah.

Baterias de iões de lítio, por outro lado, indicam normalmente a capacidade directamente em watt-hora (Wh) ou quilowatt-hora (kWh), porque a sua tensão e capacidade variam pouco em diferentes taxas de descarga. É possível converter Wh em Ah dividindo pela tensão nominal da bateria:

Há ainda uma distinção importante: a capacidade nominal (a capacidade total indicada pelo fabricante) não é o mesmo que a capacidade utilizável, que depende do DOD máximo de projecto. Uma bateria dimensionada para um DOD máximo de 80% tem uma capacidade utilizável de [capacidade nominal × 0,80]. Por exemplo, um banco de 12.000 Wh com esse limite disponibiliza 9.600 Wh de uso real; em Ah, 250 Ah × 0,80 = 200 Ah.

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Como escolher uma tecnologia de bateria?

Não existe uma bateria universalmente melhor. A escolha depende do contexto de cada instalação, e os critérios seguintes ajudam a orientar essa decisão:

• Custo inicial e custo ao longo da vida útil (por kWh entregue).
• Ciclo de vida e número de ciclos suportados.
• Necessidade de manutenção.
• Eficiência de energia entre carga e descarga.
• Densidade energética (capacidade por peso ou por volume).
• Potência de saída disponível sem sobreaquecimento.
• Profundidade máxima de descarga suportada.
• Faixa de temperatura de operação segura.
• Segurança (risco de eventos térmicos) e toxicidade dos materiais.
• Condições e detalhes da garantia.
• Reciclabilidade no fim da vida útil.
• Compatibilidade com o equipamento BOS já existente (inversores, controladores de carga).
• Localização da instalação, espaço disponível e tipo de aplicação.

Mesmo uma bateria de longa duração, alta densidade energética e preço baixo pode não ser a melhor escolha se não funcionar bem com o resto do equipamento do sistema.

Principais tecnologias de baterias

Chumbo-ácido Iões de lítio (LFP e NMC) Níquel-ferro

Chumbo-ácido

É a tecnologia que historicamente dominou o armazenamento em sistemas de energias renováveis. Existem duas variantes principais: inundada (FLA), que exige a adição periódica de água distilada, e selada ou de válvula regulada (VRLA), que não precisa dessa manutenção.

Vantagens: tecnologia comprovada e bem compreendida; historicamente domina o mercado e integra-se facilmente com o equipamento BOS já existente; custo inicial relativamente baixo; ampla disponibilidade em todo o mundo; elevada reciclabilidade (até 95% do conteúdo pode ser reciclado, embora nem sempre isso aconteça na prática).

Limitações: pode ser danificada facilmente por carregamento ou descarregamento incorrecto, negligência, sobre-ciclagem ou má manipulação durante o transporte e instalação; muitas variantes exigem manutenção regular; densidade energética relativamente baixa, o que a torna pesada e volumosa para a energia que armazena; contém elementos potencialmente tóxicos e perigosos, como chumbo e ácido sulfúrico, além de libertar hidrogénio, o que exige boa ventilação nas baterias inundadas.

Iões de lítio

É a tecnologia que mais atenção tem recebido como alternativa ao chumbo-ácido, tanto em aplicações residenciais como em sistemas de maior escala.

Vantagens: maior eficiência (tipicamente entre 90% e 98%); maior densidade energética, o que significa menos peso para a mesma energia armazenada; maior ciclo de vida em muitas aplicações (podendo chegar a 10.000 ciclos ou mais em baterias de qualidade); menor necessidade de manutenção; auto-descarga relativamente baixa. O BMS, presente em todas as baterias de iões de lítio de qualidade, monitoriza a tensão de cada célula e evita sobrecarga, descarga excessiva e operação fora da faixa segura de temperatura.

Limitações: custo inicial mais elevado do que o chumbo-ácido, embora em queda nos últimos anos; podem ainda existir desafios de integração com equipamento BOS pensado originalmente para chumbo-ácido; a maioria não pode ser carregada abaixo de 0°C e pode ter também limites de temperatura para a descarga; podem existir exigências adicionais de código de construção e de incêndio, e restrições de transporte; a reciclagem é, por agora, muito mais limitada do que a do chumbo-ácido. Determinadas químicas, em particular o NMC, apresentam risco de “thermal runaway” (fuga térmica): se uma célula sobreaquece, pode elevar a temperatura das células vizinhas, e o processo tende a alastrar-se célula a célula.

LFP (lítio ferro-fosfato)

É uma das duas químicas de iões de lítio actualmente usadas em sistemas de energias renováveis, ao lado do NMC. O conteúdo de referência apresenta-a na tabela comparativa com ciclo de vida elevado, DOD máximo elevado e eficiência elevada, exigindo, como todas as baterias de iões de lítio, um BMS.

NMC (lítio níquel manganês cobalto)

É a outra química de iões de lítio em uso, também com ciclo de vida, DOD máximo e eficiência elevados. É a química associada, no conteúdo de referência, ao maior risco de “thermal runaway” entre as tecnologias de iões de lítio apresentadas, o que reforça a importância do BMS e de boas práticas de instalação.

Níquel-ferro (NiFe)

É apresentada como uma das opções de armazenamento consideradas em sistemas de energias renováveis, com eficiência na mesma ordem de grandeza do chumbo-ácido (aproximadamente 80% a 90%) e com uma faixa de temperatura de operação mais ampla do que a das baterias de iões de lítio, podendo, tal como o lítio, ser descarregada a um DOD de 90 a 95% sem dano.

Tabela comparativa das tecnologias

*O custo de energia ao longo da vida varia significativamente conforme a aplicação. Dados baseados na fonte de referência; informação sujeita a actualização por parte dos fabricantes.

Dimensionamento e decisão: não existe uma bateria para tudo

Escolher e dimensionar um banco de baterias raramente é um processo padronizado; a maior parte das decisões depende do contexto específico do projecto e das preferências do próprio cliente. Entre os factores a considerar estão:

• O DOD de projecto e a autonomia em dias (DOA) desejada.
• A análise da carga: o que precisa de ser alimentado e por quanto tempo.
• O tipo de bateria escolhido e as suas características específicas.
• A frequência de utilização: ciclos diários (sistemas autónomos, funções avançadas) ou uso ocasional como backup.
• A temperatura esperada no local de instalação.
• O espaço disponível e a altitude do local.
• Se a ocupação do imóvel é sazonal ou permanente.
• A preferência do cliente e o orçamento disponível.

É por isso que a ideia central desta secção vale a pena repetir: não existe uma única bateria adequada para todas as aplicações. Uma instalação isolada, a grande altitude, com ocupação apenas em certas estações do ano, pede um raciocínio diferente do de uma casa em uso permanente, ligada à rede, que apenas precisa de armazenamento como backup.

Conclusão

A pergunta certa nunca é “qual é a melhor bateria?”, mas sim “qual é a melhor bateria para esta aplicação, com este orçamento, nesta temperatura, com este espaço disponível e com este nível de segurança exigido?”. Capacidade, DOD, ciclo de vida, eficiência, temperatura de operação, espaço, segurança e orçamento entram todos na mesma equação, e o peso de cada um muda de projecto para projecto.