O whitepaper da Cummins compartilha os principais conceitos por trás do BESS

À medida que o cenário energético global migra para as energias renováveis, os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) estão conquistando espaço em diversas áreas. Em canteiros de obras e em aplicações comerciais e industriais, eles oferecem energia limpa e sem emissões, evitando outro tipo de emissão: o ruído.

“Os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) surgiram como uma tecnologia fundamental na gestão moderna de energia, oferecendo uma solução para a natureza intermitente das fontes de energia renováveis e melhorando a estabilidade da rede”, disse Hassan Obeid, líder global de vendas técnicas para Soluções de Novas Energias da Cummins. Ele escreveu um novo whitepaper intitulado “Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias: Compreendendo os Principais Conceitos e Aplicações”. Nele, Obeid discutiu o que são BESS, como funcionam e como podem ser aplicados de forma eficaz.

Hierarquia de Componentes

Embora um BESS possa parecer uma caixa simples, Obeid disse que vários componentes são integrados dentro dessa caixa de maneiras complexas para garantir uma operação segura e eficiente.

Imagem: malp via Adobe Stock

“Cada componente desempenha um papel crítico na funcionalidade e no desempenho geral do sistema”, afirmou. “Compreender esses componentes-chave é essencial para compreender como o BESS opera e os diversos benefícios que ele proporciona.”

Como seria de se esperar, cada BESS contém células de bateria. Estas servem como unidades fundamentais de energia para o sistema.

“As células são agrupadas em módulos para facilitar o manuseio e a gestão”, disse Obeid. “Vários módulos são então montados em racks para uma configuração mais estruturada e eficiente.”

Como muitos veículos elétricos, o BESS também possui sistemas de gerenciamento de bateria (BMS). Obeid disse que é o BMS que gerencia cada nível da hierarquia de componentes.

No nível da célula da bateria, por exemplo, ele disse que o BMS realiza diversas tarefas. Essas tarefas incluem o monitoramento de tensão e temperatura, bem como o balanceamento de carga e descarga. O BMS também estima o estado de carga (SoC), que Obeid chamou de "o equivalente a um medidor de nível de combustível para uma bateria". O SoC indica quanta energia está disponível na bateria em um determinado momento como uma porcentagem de sua capacidade total, disse ele. O BMS também monitora o estado de saúde (SoH) das baterias, que é uma medida de sua vida útil.

Subindo um nível hierárquico para os módulos de bateria, o BMS monitora o status de cada módulo, disse Obeid. Isso inclui o gerenciamento térmico para garantir que os sistemas de aquecimento e resfriamento mantenham as temperaturas dentro de uma faixa ideal. Ele também gerencia quaisquer falhas que possam ocorrer. Por fim, facilita a comunicação entre as células e o nível do rack.

Nesse nível de rack, Obeid identificou várias responsabilidades importantes para o BMS. Ele realiza a integração de sistemas e o gerenciamento de carga, por exemplo, e gerencia a energia para otimizar o armazenamento e o uso. Nesse nível, o BMS também é responsável por implementar protocolos de segurança, incluindo desligamentos de emergência. Por fim, ele observou que o BMS gerencia a comunicação com sistemas externos ao BESS, como aqueles usados por uma instalação ou pela rede.

Outros componentes do BESS identificados por Obeid incluem os sistemas de conversão de energia (PCS), que convertem a energia CC da bateria em energia CA por meio de inversores e retificadores. Eles realizam a conversão ao contrário durante o carregamento.

Há também um sistema de controle BESS, que "serve como um hub central que integra o BESS a outras partes do sistema", disse Obeid. Essas partes incluem a rede, a microrrede ou outros recursos energéticos distribuídos.

Alguns BESS também podem conter uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS). "Essa adição fornece energia de reserva para manter funções críticas e permite que o sistema reinicie de forma independente", disse Obeid.

Capacidades e Limitações

Como acontece com qualquer tipo de equipamento, é importante entender os limites de um BESS, bem como ter os meios para determinar seu desempenho ao longo do tempo.

Um sistema de armazenamento de energia em bateria (BESS) composto por vários módulos de bateria de lítio dispostos lado a lado. (Imagem: malp via Adobe Stock)

Para esses fins, Obeid disse que cada BESS tem uma capacidade nominal de potência e capacidade energética.

Ele chamou de capacidade nominal de potência a capacidade total de descarga instantânea possível do BESS ou a taxa máxima de descarga a partir de um estado totalmente carregado. Ela é descrita em termos de kW ou MW.

Em comparação, a capacidade energética “é a quantidade máxima de energia armazenada ou consumida em kWh ou MWh”, disse Obeid.

Ele acrescentou que é crucial entender a diferença entre kW/MW e kWh/MWh. "Conhecer a diferença é essencial para avaliar com precisão as necessidades energéticas, as capacidades do sistema, o dimensionamento, as aplicações e os custos operacionais", disse Obeid. "Também auxilia na tomada de decisões informadas sobre o uso de energia, eficiência e sustentabilidade."

Usando kW e kWh como exemplos, Obeid disse que kW é uma unidade de potência, enquanto kWh é uma unidade de energia.

Em relação aos kW, ele disse que "indica a rapidez com que a energia está sendo usada em um dado momento", acrescentando que um sistema de 10 kW pode fornecer 10 kW de potência instantaneamente. É aproximadamente a velocidade do fluxo de energia que entra ou sai de um BESS.

“Quilowatt-hora (kWh) é uma unidade de energia”, disse Obeid, “que representa a quantidade total de energia consumida ou gerada ao longo do tempo. Indica o uso ou a produção cumulativa de energia.” Como exemplo, ele disse que um sistema de 10 kW funcionando por uma hora consumirá ou gerará 10 kWh de energia.

Compreendendo a taxa C

Um aspecto do BESS é conhecido como taxa C — também descrita como duração de armazenamento e taxa de carga/descarga.

“A taxa C mede a taxa na qual uma bateria é descarregada em relação à sua capacidade máxima”, disse Obeid. “Ela é definida como o inverso do tempo (em horas) necessário para descarregar completamente a bateria.”

Como exemplos, Obeid disse que um BESS com uma taxa C de 1C será totalmente carregado ou descarregado em uma hora, porque 1/1 — o recíproco de 1 — é igual a 1. No entanto, uma taxa C de 0,5C significa uma taxa de carga/descarga de 2 horas, porque 1/0,5 é igual a 2.

Ele disse que gerenciar a taxa C garante uma operação segura do BESS e uma vida útil mais longa.

“Baterias com baixa taxa C levam mais tempo para carregar”, disse Obeid, “mas podem fornecer energia por um período mais longo. Por outro lado, baterias com alta taxa C podem fornecer uma grande corrente rapidamente, tornando-as adequadas para aplicações de alta potência e curta duração, como regulação da frequência da rede elétrica. No entanto, elas não conseguem sustentar essa potência por tanto tempo quanto baterias com menor taxa C.”

Como exemplo, Obeid disse que uma bateria com uma taxa C de 5C pode fornecer cinco vezes sua potência nominal, mas apenas por 12 minutos (1/5 de 60 minutos são 12 minutos).

BESS com taxas C mais baixas são frequentemente usados em aplicações de energia, pois fornecem um fornecimento de energia estável e prolongado. Aplicações de energia, por outro lado, geralmente precisam de taxas C mais altas — 1C ou mais — porque podem fornecer picos rápidos de energia.

Obeid acrescentou que, embora a taxa C possa ser reduzida, ela não pode exceder a capacidade nominal do BESS.

“Por exemplo, se um sistema for classificado como 1C, ele pode ser carregado ou descarregado em valores de C mais baixos, como 0,5C ou 0,25C”, disse ele, “mas não pode ser operado em valores de C mais altos, como 2C ou 3C.

O BESS auxilia na descarbonização de guindastes de torre e locais de trabalho Conhecido como Enertainer — uma combinação de “energia” e “contêiner” — o BESS armazena energia suficiente para atender aos picos de energia necessários para até três guindastes de torre.

Outra contratada do Reino Unido adota o BESS para guindastes de torre e canteiros de obras A Bowmer & Kirkland adotou o BESS como sua solução de energia preferida para guindastes e descobriu que apenas um único BESS é necessário para fornecer energia de forma eficaz a um canteiro de obras inteiro.