A chave para a energia renovável

Sistemas de armazenamento de energia: a chave para o uso da energia renovável

Bill Schweber para Mouser Electronics. Editado por Jon Gabay

Fonte da imagem: malp/Stock.Adobe.com

A pressão por energia renovável nunca foi tão intensa, especialmente à luz das mudanças climáticas e das tensões geopolíticas. A pressão para eliminar os combustíveis fósseis obteve aceitação relativamente ampla.

Um indicador é o investimento global em energias renováveis. Quando os preços dos combustíveis fósseis disparam, os investimentos em energias renováveis são altos. Quando os custos dos combustíveis fósseis diminuem, a energia renovável torna-se menos rentável e os investimentos diminuem. Para atender às metas climáticas e de sustentabilidade, são exigidas melhores tecnologias de energia renovável, e a implementação acelerada de energias renováveis precisa se tornar uma realidade.

As principais fontes renováveis nem sempre são confiáveis. A energia eólica e solar são intermitentes, o que significa que arranjos maiores precisam direcionar energia para matrizes de armazenamento de energia. É preciso que sistemas de armazenamento de energia (ESS) local e distribuída sejam implementados. Atualmente, os bancos de baterias utilizam baterias à base de lítio, que apresentam suas próprias questões ambientais. Felizmente, soluções de bateria de baixo custo, mais limpas e de maior densidade de energia estão a caminho. Mas, por enquanto, a composição de uma infraestrutura que possa lidar com geração distribuída, transmissão, armazenamento e fornecimento aos clientes precisa ser construída.

A gama de opções de ESS é ampla

Conforme observado, a disponibilidade da fonte básica de energia renovável é apenas parte do quebra-cabeça mais amplo da energia. Um sistema completo precisa de uma fonte de energia, armazenamento e linhas de transmissão (Figura 1). No desenvolvimento de um sistema prático e completo baseado em energia renovável, um aspecto significativo é como implementar esse armazenamento provisório de energia.

Figura 1: Um ESS completo conectado à rede exige muito mais do que apenas o subsistema de armazenamento de energia; também demanda uma fonte de energia e de linhas de transmissão. (Fonte: Saft/Total Energies)

A necessidade de armazenamento de energia é aplicável a instalações móveis e fixas no local, e as opções funcionais dependem do porte e da configuração do sistema. À medida que a aplicação final torna-se maior ou não precisa ser móvel, a lista preliminar de possibilidades é expandida (Figure 2).

Figura 2: Embora existam muitas opções aparentes para armazenamento de energia, sua viabilidade é uma função de localização e capacidade. (Fonte: Mouser Electronics)

Várias ideias de armazenamento de energia estão sendo consideradas (Figura 3), como bombear água para uma elevação mais alta e deixá-la fluir para um gerador hidrelétrico. O mesmo método pode utilizar um motor elétrico para levantar um peso massivo e extrair energia quando necessário, permitindo a descida do peso. Esta técnica pode produzir grandes quantidades de energia por curtos períodos. Outro método é usar um volante para armazenar o momento angular. Esses métodos são onerosos na implementação e manutenção e apresentam perdas de eficiência, em termos de fornecimento de energia a ser armazenada e drenagem de potência a ser usada.

Figura 3: Os sistemas de armazenamento de energia apresentam uma ampla gama de recursos de potência e energia. (Fonte: Elsevier/Science Direct)

Também são consideradas técnicas termoelétricas, como a tecnologia de sal fundido, na qual os sais são aquecidos até o ponto de fusão. A energia térmica (calor) pode então ser extraída e utilizada para gerar eletricidade. Esta pode ser uma forma viável de armazenar energia térmica para o aquecimento de água. Mas aquecer os sais a uma temperatura suficientemente alta e com armazenamento de calor suficiente para operar uma turbina a vapor por um tempo prolongado não é uma tarefa trivial.

O armazenamento de ar comprimido é outra possibilidade. Reservatórios e compressores pesados armazenam ar a pressões muito altas. O ar deslocado é captado e transformado em eletricidade, criando um gerador limpo. Implementar isso em grande escala pode ser oneroso e, também neste caso, os sistemas mecânicos apresentam perdas e exigem manutenção.

O uso de fontes renováveis intermitentes, como eólica e solar, para separar a água em hidrogênio e oxigênio pode ser uma boa alternativa se puder ser feito com mais eficiência do que a hidrólise padrão. Os materiais de eletrodeposição experimentais têm se mostrado promissores na eliminação da necessidade de platina dispendiosa utilizada nos métodos atuais. E ainda existem reatores biológicos que realizam a hidrólise da água. O benefício que resulta da separação do hidrogênio é que ele pode ser usado como combustível para automóveis e pode gerar eletricidade diretamente usando células de combustível.

Elétrico-a-elétrico é a opção atrativa

O armazenamento elétrico é o mais recomendável, uma vez que é potencialmente o mais eficiente. As fontes de alimentação comutadas são altamente eficientes; portanto, para a energia obtida na forma de eletricidade, os melhores métodos são o armazenamento baseado em baterias e supercapacitores com técnicas de comutação de alta potência.

Felizmente, a indústria eletrônica desenvolveu novas tecnologias de energia, como os diodos wide bandgap, MOSFETs e drivers da onsemi. Esses dispositivos utilizam a tecnologia de carbeto de silício (SiC) proprietária da empresa, que pode suportar muito mais severidades sem falhar.

A tecnologia wide bandgap permite que os diodos de alta potência suportem tensões reversas repetitivas (VRRM) de 1.700 V com apenas 80 nA de corrente reversa. A configuração Schottky tem apenas uma queda de tensão direta de 1,5 V a 25 A. Outros membros do grupo podem passar até 100 A com baixa perda e calor e correntes de surto de até 882 A. Essas especificações são necessárias para a conexão de painéis de alta tensão e alta corrente em um grande carregador de bateria local ou em um inversor de alta potência conectado à rede.

Além disso, a tecnologia SiC resulta em velocidades rápidas de comutação e também é utilizada para fabricar MOSFETs de baixa perda com capacidade de transporte de corrente de até 46 A. A robusta classificação de tensão reversa de 900 V ajuda a resistência a picos e ruídos de comutação, e essa tecnologia reduz a interferência eletromagnética (EMI), ao mesmo tempo em que oferece a mais alta densidade de energia e o menor tamanho.

Por exemplo, o MOSFET EliteSic NTHL060N090SC1 da onsemi tem uma resistência dreno-fonte de apenas 84 miliohms a 46 A e pode dissipar até 221 W. Como elemento de comutação, pode suportar tensões reversas de até 900 volts. O gate driver complementar como o NCP51705MNTXG facilita a interface com os MOSFETs EliteSiC e aproveita os rápidos tempos de subida e descida da tecnologia. Este driver pode fornecer até 6 A do gate drive com atrasos de ativação e desativação rápidos de 50 ns. O pequeno QFN24 pode dissipar 2,9 W e drena apenas 12 mA.

O que torna esta tecnologia tão imediatamente interessante é a disponibilidade de módulos de potência como os módulos IGBT NXH100B120H3Q0STG, com capacidade para processar até 80 kW e 100 A (Figura 4). Esses módulos têm diodos de derivação e diodos boost integrados além dos diodos de proteção limitadores de transientes IGBT, todos incluídos no layout de baixa indutância (Figura 5).

Figura 4: Os módulos de potência dual-boost NXH100B120H3Q0 da onsemi simplificam o projeto, a implementação e a manutenção de sistemas de alta energia, energia renovável, alta tensão e alta corrente. (Fonte: Mouser Electronics)

Figura 5: Ideais para inversores solares, fontes de energia ininterrupta e sistemas de armazenamento e medição de energia, os módulos de potência SiC da onsemi já estão disponíveis e prontos para uso. (Fonte: onsemi)

As baterias lideram

As baterias recarregáveis oferecem muitos fatores positivos. Elas exigem muito pouca preparação do local e não possuem partes móveis, uma vez instaladas e em operação, praticamente não exigem manutenção. Embora as clássicas células de chumbo-ácido sejam 90% totalmente recicladas, a química à base de lítio costuma ser a melhor opção. A química baseada em lítio oferece maior densidade de energia por peso. Como qualquer tecnologia de bateria, as baterias de lítio podem ser dimensionadas de acordo com as necessidades, em série para tensões mais altas ou em paralelo para correntes mais altas. Se forem projetadas corretamente, as células individuais podem ser substituídas sem interromper o resto do arranjo.

As baterias exigem pouca preparação do local e não têm peças móveis. Após a instalação e operação, praticamente são livres de manutenção. Uma das principais razões pelas quais as unidades de bateria de lítio estão sendo adotadas para uso de energia em serviços públicos é a crescente popularidade dos veículos elétricos (EVs). À medida que aumenta a demanda por baterias de lítio - para EVs, bem como para dispositivos de consumo, aumentos na mineração de alto volume, fabricação, montagem e uso de pacotes de energia de alta densidade de energia diminuem as barreiras para o processo de produção.

Novamente, o setor de componentes eletrônicos enfrentou esses desafios com chips de gerenciamento de bateria pequenos e acessíveis que carregam e medem a energia com segurança. Esses dispositivos também podem proteger o restante do arranjo de baterias em caso de falhas de uma célula.

Outra opção é construir um sistema fixo no local usando baterias de baixo custo usadas e que foram recuperadas de veículos mais antigos ou danificados, que podem oferecer uma capacidade considerável. Em geral, as baterias são consideradas "inutilizadas" e não são mais adequadas para suas aplicações iniciais quando a capacidade de armazenamento cai a 80% do valor original. Isso ainda mantém uma capacidade significativa para uma instalação em local fixo para reutilização e reciclagem dessas células de segunda vida (Figura 6).
 

Figura 6:  O aumento dos veículos elétricos também está gerando recursos por meio de baterias usadas de "segunda vida" desses veículos. (Fonte: Circular Energy Storage Research and Consulting)

A combinação de veículos e redes de energia elétrica oferece o potencial de conexão de um veículo elétrico à rede durante quedas de energia. Com a eletrônica adequada e infraestrutura distribuída, os veículos já podem substituir as subestações por curtos períodos.

Energia da rede ou não?

Conforme mencionado, um ESS baseado em bateria pode ser autônomo apenas para uso local ou pode ser conectado à rede. As topologias estão sendo utilizadas atualmente para suportar inserções e quedas de energia em um ambiente distribuído.

Um algoritmo ESS sofisticado pode balancear a alocação do fluxo de energia para uma combinação de maior disponibilidade e menor custo operacional. Ou seja, quando a fonte está disponível e os custos de energia são os mais baixos, o sistema utiliza a rede para carregar as baterias. Por outro lado, quando os custos da rede são altos ou quando as fontes renováveis não estão disponíveis ou são insuficientes, o sistema utiliza as baterias.

Projetos de ESS mais avançados permitem mais benefícios e redução geral de custos, ao retornar a energia à rede quando as baterias estão carregadas e a rede não é mais necessária, uma vez que a fonte renovável pode suprir a energia necessária. Eles utilizam uma unidade de energia ESS bidirecional, que direciona de forma transparente o fluxo de energia do local em que estiver disponível para o local em que for necessário ou possa ser armazenado.

Se a energia estiver disponível a partir de fontes distribuídas, instalações e residências podem receber energia da mesma maneira que receberiam caso contassem com uma fonte de energia ininterrupta (UPS). Nunca haverá falta de energia para o usuário (exceto se ocorrer algum dano físico na rede). Podem haver pequenas quedas de energia, mas os sistemas UPS locais podem ser usados para manter ativos dispositivos críticos, como equipamentos médicos, até que a instalação restabeleça a energia da rede.

A padronização das tecnologias dos componentes integrantes avançou em termos de desempenho e redução de custos a ponto de tornar esses sistemas on-line atualmente disponíveis para uso residencial, como o sistema Generac PWRcell (Figura 7).

Figura 7: Novos sistemas residenciais, como o Generac PWRcell, integram perfeitamente energia de rede, energia de célula solar e armazenamento baseado em bateria; além disso, podem incorporar um gerador opcional (não apresentado). (Fonte: Generac Power Systems, Inc.)

Conclusão

Os sistemas de armazenamento de energia são um bloco de construção essencial de qualquer arranjo de fornecimento e distribuição de energia que dependa parcial ou totalmente de uma fonte intermitente ou imprevisível. Os usuários têm muitas opções para suprir esse armazenamento, cada uma com compensações em desempenho elétrico, mecânico e físico críticos e em parâmetros de instalação. O armazenamento de energia baseado em bateria é desejável em razão da sua disponibilidade, modularidade, escalabilidade, densidade de energia, capacidade de gerenciamento e operação livre de ruído.