As c´elulas de combust´ıvel podem ser usadas em aplica¸c˜oes de produ¸c˜ao descentrali- zada, particularmente adequadas para centrais de baixa potˆencia instalada, podendo tamb´em ser encontrados exemplos de utiliza¸c˜ao para potˆencias superiores, algumas centenas de kW. Podem tamb´em ser uma boa solu¸c˜ao para instala¸c˜ao em ´areas isoladas onde a constru¸c˜ao de linhas de distribui¸c˜ao seja dif´ıcil ou dispendiosa. H´a v´arios modos de armazenamento de Hidrog´enio, tais como: comprimido, lique- feito, hidreto de metal, entre outros.
A combina¸c˜ao de um eletrolisador e uma c´elula de combust´ıvel para o armazena- mento de energia el´etrica ´e uma solu¸c˜ao de baixa eficiˆencia (na melhor das hip´oteses 70% para o eletrolisador e 50% para a c´elula de combust´ıvel, e de 35% para o con- junto) (Ibrahim et al.,2008). Al´em disso, os custos de investimento s˜ao elevados e a esperan¸ca de vida ´e muito limitada, especialmente para aplica¸c˜oes na rede de distri- bui¸c˜ao de energia. No entanto, a sua integra¸c˜ao nos sistemas de produ¸c˜ao renov´avel tem sido estudada, ao mesmo tempo que se desenvolve melhorias no desempenho das pilhas de combust´ıvel e nos sistemas de produ¸c˜ao de Hidrog´enio.
4.5
Flywheel ou volante de in´ercia
Denominado de FESS ou volante de in´ercia, consiste numa massa/disco em rota¸c˜ao sobre um eixo, que armazena a energia mecˆanica sob a forma de energia cin´etica, pelo que o seu formato e distribui¸c˜ao da sua massa s˜ao desenhados para que ma- ximizem o seu momento de in´ercia quando colocado em rota¸c˜ao, contribuindo para a conserva¸c˜ao da energia no sistema para que este se mantenha em rota¸c˜ao por per´ıodos de tempo extremamente longos (Couto, 2012; Hadjipaschalis et al., 2009). Estes sistemas, al´em de depender do momento de in´ercia (I) que varia com a massa (m) e com a sua forma f´ısica (r), (4.1), a sua capacidade de armazenamento de energia cin´etica (Ec) al´em de variar com o seu momento de in´ercia tamb´em varia
com a velocidade angular (w) a que est´a a rodar, (4.2).
I = 1 2· r
Ec =
1 2 · I · ω
2 (4.2)
O inv´olucro onde a massa girat´oria ´e posta em movimento, ´e constitu´ıdo por um sistema de v´acuo ou de baixa gravidade de forma que n˜ao se verifique atrito por resistˆencia do ar ou este seja bastante diminuto (Couto, 2012). Ao mesmo tempo, um volante de in´ercia ´e suportado, e mantido, em posi¸c˜ao por ´ımanes permanentes, figura 4.10. Estes dispositivos tem uma grande capacidade c´ıclica, cerca de 10.000 a 100.000 ciclos, limitados pela fadiga mecˆanica (Ibrahim et al.,2008).
Para iniciar o movimento rotativo no eixo, ´e necess´ario um motor el´etrico que estar´a acoplado ao eixo e que realiza a convers˜ao da energia cin´etica em energia mecˆanica, nos per´ıodos de recarga, e, dependendo do movimento de in´ercia ou velocidade de rota¸c˜ao, influenciar´a a quantidade de energia armazenada. Quanto maior for a ve- locidade de rota¸c˜ao maior ser´a a quantidade de energia armazenada. A energia que se encontra armazenada, poder´a posteriormente ser adquirida, atrav´es da desace- lera¸c˜ao do volante de in´ercia por meio de um bin´ario de desacelera¸c˜ao e devolvendo a energia cin´etica ao motor el´etrico, sendo utilizado como um gerador (Hadjipas- chalis et al., 2009), ou seja, para que se realize a convers˜ao da energia mecˆanica em energia el´etrica, nos per´ıodos de descarga.
Esta energia poder´a servir, para efeitos de controlo de frequˆencia, atenua¸c˜ao dos harm´onicos em BT, diminui¸c˜ao das perdas, como fonte ininterrupta de energia, injetando a energia armazenada na rede em caso de falha, aplica¸c˜ao em centrais fotovoltaicas para alargamento do per´ıodo em que estas est˜ao a injetar potˆencia na rede para al´em das horas de exposi¸c˜ao solar, manuten¸c˜ao da qualidade de servi¸co nas redes de distribui¸c˜ao, aplica¸c˜oes em centrais e´olicas em conjunto com centrais a diesel como compensa¸c˜ao das oscila¸c˜oes caracter´ısticas das condi¸c˜oes atmosf´ericas e, em aplica¸c˜oes aeroespaciais de armazenamento de energia em esta¸c˜oes (Abelho,
2011; Couto,2012).
Na figura 4.9 ilustram-se dois gr´aficos ilustrativos do funcionamento de um volante de in´ercia em conjunto com uma turbina e´olica. Nos per´ıodos em que a potˆencia produzida pela turbina e´olica ´e superior `a carga, o excedente ´e destinado ao arma- zenamento de energia no volante de in´ercia. Analogamente, quando se verifica uma redu¸c˜ao da intensidade do vento, traduzido pela diminui¸c˜ao da potˆencia injetada pela turbina e´olica, o d´efice de potˆencia ´e restitu´ıdo pela disponibiliza¸c˜ao da energia
4.5. FLYWHEEL OU VOLANTE DE IN´ERCIA 107
armazenada (Couto, 2012).
Figura 4.9 – Potˆencia produzida pela turbina e´olica (PG) e potˆencia produzida/armazenada
pelo volante de in´ercia (PF W) (Veszepremi and Schmidt,2007).
As vantagens desta tecnologia s˜ao a sua elevada densidade de potˆencia e energia, res- posta r´apida relativamente a perturba¸c˜oes, suporta bem aumentos de carga sendo recarreg´avel num curto espa¸co de tempo, impacto ambiental muito reduzido com zero emiss˜oes de di´oxido de carbono, baixo valor de perdas em standby e para aplica¸c˜oes que requerem potˆencias elevadas aparenta ser uma tecnologia fi´avel. Em compara¸c˜ao com as baterias tradicionais, os volantes de in´ercia apresentam uma ele- vada eficiˆencia em toda a profundidade de descarga, tempo de vida longo (20 anos) que n˜ao apresenta degrada¸c˜ao da capacidade de armazenamento e manuten¸c˜ao re- duzida, enquanto que as baterias duram entre 4 a 5 anos e requerem mais aten¸c˜ao na sua manuten¸c˜ao. Outro aspeto ´e que os volantes ocupam 5 a 10 vezes menos espa¸co quando comparadas com baterias da mesma potˆencia e o tempo de vida ´e praticamente independente do n´umero de ciclos de carga/descarga, al´em de que ´e poss´ıvel saber facilmente o estado de carga do volante de in´ercia atrav´es da velo- cidade de rota¸c˜ao (Couto, 2012; Gaspar, 2010). No entanto, de um ponto de vista pr´atico, as baterias eletroqu´ımicas s˜ao mais ´uteis para o armazenamento de energia em ´areas isoladas. As baterias s˜ao usadas essencialmente para regular e aumentar a qualidade de corrente (tens˜ao cont´ınua e constante) (Ibrahim et al., 2008). No que toca `as desvantagens, os volantes de in´ercia necessitam de elevado investimento em rela¸c˜ao `as baterias.
Figura 4.10 – Acumulador de energia flywheel (Ibrahim et al.,2008).