Baterias Eletroquímicas (BESS Battery Energy Storage System)

Existem dois grandes tipos de baterias: as primárias (não recarregáveis) e as secundárias (po- dem ser carregadas diversas vezes). [40]

2.1.8.1 Composição e funcionamento

Uma bateria pode ser definida como tendo dois elétrodos, denominados ânodo e cátodo, dentro de um mesmo recipiente. Este tipo de dispositivos transforma energia química em energia elétrica;

desta forma consegue acumular e fornecer energia, alternando entre cargas e descargas.

Uma bateria é constituída por um conjunto de células ligadas entre si em série e/ou em paralelo, de modo a obter os valores de tensão e corrente desejados.

Pode considerar-se que cada célula tem duas partes que estão ligadas em série e envolvidas no meio eletrólito condutor. Existem diversas transferências de iões entre o ânodo e o cátodo quando se faz a carga ou a descarga destas baterias. Quando se dá o carregamento destas baterias, diminui a quantidade de catiões, e os eletrões passam para o cátodo, sendo que ao mesmo tempo se dá a oxidação dos aniões e, consequentemente, os eletrões são retirados do ânodo. [36]

Figura 2.9: Exemplo do interior de uma bateria e respetivo esquema [11]

2.1.8.2 Esquema elétrico equivalente

Uma bateria pode ser representada por um circuito elétrico equivalente composto por uma fonte de tensão ideal em série com uma resistência, sendo que esta, durante os períodos de carga e descarga, irá comportar-se dinamicamente.

Assim, a tensão nos terminais da bateria durante o seu carregamento é calculado a partir de: [36]

V = Vca+ Ri× Icarga (2.5)

Sendo que:

Icarga= Igerada− Iconsumida (2.6)

Por outro lado, quando se dá a descarga:

Vbat= Vca− Ri× Idescarga (2.7)

Sendo:

Idescarga= Iconsumida− Igerada (2.8)

Assim, com base nestas equações, obtem-se uma outra que resume os processos de carga e descarga de uma bateria:

Vbat= Vca+ Ri× Igerada− Iconsumida (2.9)

2.1.8.3 Principais características

De seguida enumeram-se as principais características deste tipo de baterias: [36] [37] [39] [38] • Energia (E) - Pode ser medida em W/s (watt/segundo) ou J (joule);

• Densidade de Energia - Representa o valor de energia que está armazenado por unidade de massa ou volume, sendo que é normalmente representado em Wh/kg;

• Capacidade (Cn) - Quantidade de energia que pode ser armazenado na bateria, medida ex-

pressa em Ampere Hora (Ah);

• Tempo de descarga (tn) ou Autonomia - Tempo durante o qual a bateria pode entregar ener-

• Eficiência - Razão entre o valor de energia armazenada na bateria e aquela que é fornecida para a carga. Geralmente, fala-se em eficiência global do sistema, por ciclo de descarga. Desta forma estão representadas as diversas perdas na conversão de energia, assim como a energia gasta para manter todo o equipamento a funcionar (por exemplo, bombagem, arrefecimento, etc.);

• "Profundidade"máxima de descarga - Muitas vezes também denominado por DoD, vem do inglês Depth of Discharge. Esta grandeza, expressa em percentagem, indica o valor máximo de carga que pode ser consumida no sistema, sem prejuízo para os componentes do mesmo. • Durabilidade/Tempo de vida útil (Quantidade de ciclos de carga-descarga) - Quantidade de vezes que se pode carregar e descarregar uma bateria sem que esta perca a sua capacidade de armazenamento. Define-se um ciclo completo como sendo uma carga e subsequente des- carga completa. Geralmente, o número de ciclos de carga-descarga é dado para determina- dos valores de profundidade de descarga (DoD). Nas baterias considera-se que se ultrapassa o seu período de vida útil no momento em que a capacidade das mesmas se reduz a cerca de 80% do seu valor nominal.

• Taxa de autodescarga - Quantidade de energia que está armazenada numa bateria e é dis- sipada gradualmente, devido a fenómenos de atritos, evaporação, processos eletroquímicos residuais, fugas, resistência dos condutores, entre outros. Esta perda de energia equivale a ter uma pequena carga interna ligada à bateria.

• Tempo de resposta - Período de tempo que o sistema necessita para fornecer a energia. • Custo - Encargos (e/Wh) com o armazenamento no sistema, ao longo da sua vida útil, ou

por cada ciclo de carga-descarga. Para o cálculo deste valor entram os diversos custos ope- racionais do sistema, tais como a manutenção e as perdas de energia e ainda o investimento inicial na aquisição das baterias.

• Segurança e restrições operacionais - Todo o tipo de restrições no que toca às condições a que devem funcionar estas baterias (pressão, temperatura, entre outras), sendo que existem ainda outras obrigações a nível de segurança da instalação, como por exemplo os riscos de explosão ou incêndio.

• Taxa de carga e descarga (C-rate) - Esta é uma grandeza que pretende quantificar a taxa a que um sistema de armazenamento é carregado ou descarregado face à capacidade estipulada do mesmo. Quando se diz que uma bateria descarrega à taxa de 1C, corresponde a esta descarregar integralmente numa hora; por outro lado uma bateria com uma taxa de 2C, descarrega em meia hora, embora forneça o dobro da corrente. Esta é uma característica que relaciona a capacidade da bateria com o seu tempo de descarga, pela equação seguinte:

Sendo que o índice n em Cnrepresenta o número de horas que a bateria demora a descarregar,

Inrepresenta o valor da corrente nominal e tna duração da descarga.

• Efeito memória - Isto é o que vulgarmente se denomina por "víciação das baterias". O efeito de memória caracteriza-se pelo facto de uma bateria completamente carregada, descarregar em pouco tempo; este efeito é provocado por ciclos de carga incompletos.

• Estado de carga - Também denominado por State of Charge (SOC), é um valor (em per- centagem) que indica qual o valor de carga na bateria, entre 0% (corresponde a não haver qualquer carga) e 100% (indica que está totalmente carregada). O valor do estado de carga é dado pela expressão seguinte:

SOC(%) =Capacidadeatual Capacidadetotal

× 100 (2.11)

• Tensão - Existem diversos tipos de tensão que são considerados para caracterizar as baterias:

- Tensão nominal: valor de tensão que está definido pelo fabricante para uma determinada bateria ou célula;

- Tensão final de descarga: valor mais baixo de tensão que é possível aplicar na bateria. • Eficiência/Rendimento: depende das perdas da conversão de energia, sendo expressa (em

percentagem) pela expressão seguinte:

E f iciencia= Energia devolvida

Energia armazenada× 100 (2.12) • Temperatura de funcionamento da bateria - A temperatura tem muita influência em algumas características da bateria, nomeadamente no tempo de vida útil e na tensão como se pode ver pelas figuras 2.11 e 2.12.

Figura 2.11: Influência da temperatura no tempo de vida útil de uma bateria [13]

Figura 2.12: Influência da temperatura na tensão de uma bateria [14]