Desempenhando a energia um papel fundamental na nossa vida, h´a a necessidade de utilizar m´etodos de produ¸c˜ao de energia mais amigos do ambiente, sendo estes m´etodos as energias renov´aveis que s˜ao tecnologias promissoras de produ¸c˜ao de
2.4. RESUMO 41
energia. Sendo assim, ´e fundamental ter conhecimento destes m´etodos quanto ao seu processo de funcionamento desde a produ¸c˜ao ao transporte, do transporte `a distribui¸c˜ao at´e chegar ao utilizador, assim como as suas carater´ısticas e utiliza¸c˜oes. No entanto, um dos fatores que pode promover o desenvolvimento e utiliza¸c˜ao das fontes renov´aveis ´e a investiga¸c˜ao, e ap´os a an´alise de artigos cient´ıficos pode-se comprovar que os trˆes m´etodos principais s˜ao, por ordem decrescente, a biomassa, a energia solar e a energia e´olica, ou seja, estas s˜ao os tecnologias que atualmente est˜ao a ter maior desenvolvimento e possivelmente ser˜ao as que ir˜ao prevalecer no futuro.
Al´em disso, estas tecnologias de produ¸c˜ao de energia, por vezes produzem energia excedente necessitando de sistemas de reserva de energia, como o caso dos siste- mas solares fotovoltaicos que s´o recebem radia¸c˜ao durante o dia e s´o produzem nestas horas, e durante a noite quando ´e necess´ario a energia recorrem as baterias eletroqu´ımicas que armazenaram a energia excedente. Ou ent˜ao a constru¸c˜ao de sis- temas de produ¸c˜ao de energia em ´areas isoladas em que o acesso `a rede el´etrica de distribui¸c˜ao de energia ´e dif´ıcil utiliza-se tamb´em estas baterias. O cap´ıtulo seguinte pretende realizar esta abordagem.
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Armazenamento de energia
em baterias eletroqu´ımicas
Neste cap´ıtulo pretende-se expor as t´ecnicas associadas `a carga/descarga de baterias eletroqu´ımicas como parte integrante de um sistema de armazenamento observando- se todas as suas carater´ısticas, vantagens, condicionantes, m´etodo de funcionamento incluindo toda a sua eletr´onica, sistema de carga e as utiliza¸c˜oes.
As baterias podem apoiar a rede a suportar picos exigidos e tamb´em quando se pretende o armazenamento por per´ıodos mais curtos que pode ser ´util para suavizar pequenos picos e quedas de tens˜ao (Hadjipaschalis et al., 2009).
Contudo, as tecnologias de armazenamento de energia tradicionais, tais como as baterias eletroqu´ımicas, est˜ao a ser melhoradas para ser aplicadas em sistemas de maior escala, de modo a atingir rendimento el´etrico elevado, no entanto existe ou- tras tecnologias de armazenamento de energia, surgindo tamb´em novas tecnologias promissores que est˜ao em desenvolvimento. As tecnologias e os princ´ıpios subjacen- tes a cada sistema de armazenamento pode variar em grande medida, diversificando, assim significativamente o espetro de produtos de armazenamento de energia dis- pon´ıveis. Isto significa que cada sistema pode ser bastante diferente em termos do seu ambiente ideal de aplica¸c˜ao e da escala de armazenamento de energia. Mais es- pecificamente, enquanto um sistema de armazenamento pode ser ideal para suavizar as flutua¸c˜oes anuais, outro pode ser adequada para satisfazer requisitos de picos de potˆencia muito curtos (Hadjipaschalis et al., 2009). Por isso, ser´a necess´ario saber
lidar com todos os sistemas de armazenamento e tamb´em saber o que se pretende satisfazer em cada sistema el´etrico, para se realizar sistemas de energia el´etrica com boa qualidade e aproveitamento m´aximo de energia.
No cap´ıtulo seguinte abordam-se outras tecnologias de armazenamento de energia, tais como, flywheel, supercondensadores, c´elulas de combust´ıvel, sistemas de ar com- primido, sistemas de bombeamento hidroel´etrico e sistemas t´ermicos.
3.1
Baterias eletroqu´ımicas
Al´em das baterias eletroqu´ımicas prim´arias, n˜ao recarreg´aveis, que utilizamos no dia-a-dia em pequenos dispositivos eletr´onicos, existem tamb´em as baterias ele- troqu´ımicas secund´arias, sendo recarreg´aveis.
No entanto, devido `a sua flexibilidade e amplo campo de aplica¸c˜ao em diversas ´areas, desde a eletr´onica de consumo, passando pelos ve´ıculos el´etricos e h´ıbridos, siste- mas aut´onomos de energia, at´e aplica¸c˜oes fixas em centrais de produ¸c˜ao de energia el´etrica e redes inteligentes, frequentemente associadas a fontes de energia renov´avel, as tecnologias de armazenamento eletroqu´ımico s˜ao capazes de desempenhar a sua fun¸c˜ao com impacto positivo.
O sistema de armazenamento de energia em baterias, denominado Battery Energy Storage System (BESS) ´e realizado atrav´es de rea¸c˜oes qu´ımicas no interior dos acu- muladores, tendo a capacidade de transformar energia qu´ımica em energia el´etrica e vice-versa (Couto, 2012), e que podem estar ligadas em s´erie ou em paralelo, ou ambos, de forma a obter a tens˜ao e capacidade desejadas.
Os acumuladores ou baterias (secund´arias) s˜ao c´elulas eletroqu´ımicas cuja rea¸c˜ao qu´ımica nos el´etrodos ´e revers´ıvel, pelo que podem ser utilizadas para acumular a energia de produ¸c˜ao renov´avel (atualmente as aplica¸c˜oes concentram-se mais em sistemas fotovoltaicos e e´olicos) e depois libert´a-la quando se ligam a um circuito de descarga exterior.
A principal fun¸c˜ao de um acumulador numa instala¸c˜ao ´e fornecer a energia exigida pelas cargas, independentemente da produ¸c˜ao de energia do sistema renov´avel nesse momento, implicando:
3.1. BATERIAS ELETROQU´IMICAS 45
• Fornecer energia nos per´ıodos de fraca ou nula produ¸c˜ao de energia renov´avel do sistema principal, que podem ser de horas ou mesmo dias;
• Fornecer um determinado valor de potˆencia instantˆanea, durante um tempo limitado, maior do que o sistema principal de produ¸c˜ao de energia poderia gerar nos momentos mais favor´aveis;
• Manter o bom funcionamento da bateria, em conjunto com o sistema de con- trolo e de condicionamento de energia, denominado Control and Power Con- ditioning System (C-PCS), que geralmente ´e um regulador de tens˜ao est´avel de funcionamento da instala¸c˜ao. Por exemplo, no caso de um sistema solar, a tens˜ao de sa´ıda de um m´odulo fotovoltaico varia em fun¸c˜ao da intensidade de radia¸c˜ao incidente, o que pode n˜ao ser adequado. O acumulador encarrega-se, neste caso, de proporcionar uma tens˜ao est´avel e constante, dentro de uma de- terminada gama de opera¸c˜ao, independentemente das condi¸c˜oes de radia¸c˜ao incidente.
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A exce¸c˜ao de alguns casos, como bombeamento de ´agua ou em instala¸c˜oes ligadas diretamente `a rede, as baterias devem estar presentes, j´a que s˜ao primordiais para um bom funcionamento e dura¸c˜ao dos sistemas de energia.
Os acumuladores s˜ao constitu´ıdos essencialmente por c´elulas, placas, mat´eria ativa, grades, separadores e o eletr´olito, figura 3.1.
A c´elula ´e o elemento b´asico eletroqu´ımico de uma bateria. Consiste num conjunto de placas, separadas por separadores isolantes, imersas numa solu¸c˜ao (o eletr´olito), colocados juntos num recipiente pr´oprio selado.
As placas consistem numas grelhas com material ativo denominado de el´etrodo. Em cada c´elula h´a um n´umero de placas ligadas em paralelo a um barramento situado na parte superior das placas, tanto positivas como negativas. A espessura das placas determina a profundidade de descarga de uma bateria. As placas mais grossas permitem descargas profundas durante longos per´ıodos de tempo.
A grelha distribui a corrente por toda a placa e funciona como suporte do material ativo. A quantidade de material ativo determina a capacidade (em Ah) que a bateria ´e capaz de fornecer.
Figura 3.1 – Componentes de um acumulador eletroqu´ımico (exemplo de el´etrodos e eletr´olito de uma bateria de Chumbo-´Acido) (Master Distancia,2009).
Os separadores est˜ao intercalados entre placas positivas e negativas para evitar o contacto el´etrico direto entre ambas. Costumam a ser fabricados com material pl´astico microporoso que n˜ao se altera com a a¸c˜ao do eletr´olito. A sua elevada porosidade permite a difus˜ao f´acil e r´apida do eletr´olito.
O eletr´olito ´e respons´avel por transportar a carga el´etrica entre os el´etrodos positivo e negativo. Dependendo do tipo de bateria, tamb´em pode participar de forma direta nas rea¸c˜oes de oxida¸c˜ao e redu¸c˜ao. A sua densidade ´e escolhida de acordo com as especifica¸c˜oes do fabricante, estabelecidas com base na configura¸c˜ao do equipamento e em fun¸c˜ao dos regimes de trabalho a que a bateria est´a sujeita.
Os bornes s˜ao as liga¸c˜oes el´etricas com o circuito externo. O recipiente exterior que cont´em todos os elementos da bateria, costuma ser de pl´astico ou borracha dura. Um sistema BESS inclui as baterias, o C-PCS e o resto da instala¸c˜ao, que ´e res- pons´avel por fornecer a prote¸c˜ao para todo o sistema, figura 3.2, (Diaz-Gonzalez et al., 2012).
Sendo uma tecnologia vastamente explorada e com um grande historial de aplica¸c˜oes ao longo dos tempos, o armazenamento de energia em baterias qu´ımicas ´e uma tec- nologia que engloba diversos tipos de compostos qu´ımicos, com diferentes compor- tamentos, desempenhos e capacidades de armazenamento de energia (Couto,2012).
3.1. BATERIAS ELETROQU´IMICAS 47
Figura 3.2 – Princ´ıpio de funcionamento BESS (Diaz-Gonzalez et al.,2012).
Estas baterias tˆem determinadas carater´ısticas a ter em conta na utiliza¸c˜ao de di- mensionamentos de sistemas de grande escala, tais como, a energia espec´ıfica, den- sidade de energia, potˆencia espec´ıfica, tempos de vida ´util, n´umero de ciclos de carga/descarga, carater´ısticas da carga, seguran¸ca, pre¸co, corrente de auto-descarga, quest˜oes ambientais, requisitos de manuten¸c˜ao e disposi¸c˜ao.
As carater´ısticas mais importantes das baterias s˜ao (Soares, 2011):
• A densidade de energia (Wh/dm3) → quanto maior, menos espa¸co ocupa;
• O ciclo de vida → quanto mais elevado, maior a vida ´util;
• A energia espec´ıfica (Wh/kg) → quanto mais elevada, maior a autonomia; • A potˆencia espec´ıfica (W/kg) → quanto maior, melhor desempenho;
• O tempo de recarga (tempo que demora a restabelecer o armazenamento de energia na bateria) → quanto mais baixo, mais pr´atico se torna.
Alguns tipos de baterias j´a s˜ao tecnologias bastante desenvolvidas, como as baterias de chumbo-´acido, desenvolvidas h´a mais de 140 anos (Diaz-Gonzalez et al., 2012). Nas sec¸c˜oes seguintes s˜ao apresentadas algumas das tipologias mais importantes de baterias assim como a terminologia necess´aria ao bom entendimento desta mat´eria.