Sistema fotovoltaico com armazenamento de energia em baterias

No cen´ario proposto, recorre-se a um banco de baterias, que permite a utiliza¸c˜ao de energia el´etrica proveniente dos pain´eis fotovoltaicos em per´ıodos em que n˜ao existe produ¸c˜ao fotovoltaica ou esta ´e insuficiente. Por´em, estes equipamentos representam a segunda maior parte do investimento e dos custos de opera¸c˜ao, o que por vezes n˜ao ´e proveitoso, algo que ser´a avaliado posteriormente. Em situa¸c˜ao de insuficiˆencia de produ¸c˜ao fotovoltaica relativamente ao consumo, se o armazenamento de energia dispon´ıvel na bateria com a produ¸c˜ao fotovoltaica for superior ao consumo, ent˜ao ir´a ocorrer a descarga da bateria at´e ao consumo el´etrico ser assegurado. Caso a bateria esteja com uma carga menor que a carga m´ınima de armazenamento, recorre-se `a rede el´etrica para assegurar o consumo. Para ocorrˆencias onde a produ¸c˜ao FV supere o consumo, esta energia em excedente pode ser acumulada no banco de baterias atrav´es do seu carregamento se estas n˜ao estiverem no seu estado de carregamento m´aximo, ou ent˜ao ser vendida `a rede el´etrica por uma determinada tarifa de venda. A figura seguinte apresenta a metodologia descrita anteriormente que foi implementada no modelo de c´alculo.

6.1. Avalia¸c˜ao energ´etica

Est˜ao representadas as caracter´ısticas do modelo da bateria adotada para o estudo na tabela 6.2. A ficha t´ecnica do modelo de bateria utilizado encontra-se no Anexo C.

Tabela 6.2: Caracter´ısticas do modelo da bateria Hoppecke 24 OpzS 3000 (Hoppecke, 2020)

Caracter´ıstica Valor Capacidade nominal Cb 6 kWh

Rendimento 96 %

Profundidade de descarga m´axima DoD 80 % Estado de carregamento m´aximo 98 %

Dura¸c˜ao

20 anos 6 000 ciclos (SOC m´edio<50 %)

4 000 ciclos

(SOC m´edio entre 50 e 90 %)

Estas baterias tˆem rendimentos muito elevados em opera¸c˜ao cont´ınua dado que a tec- nologia das baterias chumbo-´acido est´a cada vez mais implementada, o que faz com que a perda de energia entre o in´ıcio e o fornecimento por parte das baterias seja pouco sig- nificativa. Este modelo possui tamb´em uma profundidade de descarga DoD, do inglˆes depth of discharge, de 80 %, o que significa que este equipamento pode ser descarregado at´e um estado de carregamento SOC, do inglˆes state of charge, de 20 % que corresponde ao seu estado de carregamento m´ınimo. Quanto maior for o estado de carregamento da bateria m´edio menor ser´a o seu tempo de vida ´util. Um ciclo de funcionamento do banco de baterias corresponde a um determinado per´ıodo onde este se encontra a carregar sendo que, a partir do momento em que inicia o processo de descarga, ocorreu um ciclo.

• Dimensionamento da capacidade do banco de baterias

O banco de baterias dever´a ter uma capacidade de armazenamento que depende no n´umero de dias de autonomia pretendido (Galdino & Pinho, 2014). A capacidade do banco de baterias CM pode ser obtida por dois m´etodos distintos (equa¸c˜oes 6.3 e 6.4),

um primeiro m´etodo onde a capacidade est´a relacionada com o excedente m´aximo di´ario verificado ao longo do ano e um segundo m´etodo em que a energia m´edia requerida `a rede no decorrer do ano define qual ´e a capacidade de armazenamento do banco de baterias.

CM 1= nautExecmax (6.3)

CM 2= nautEf eg¯ (6.4)

O n´umero de dias de autonomia naut ´e tanto maior quanto menor for a disponibilidade

da radia¸c˜ao solar num determinado local. Esta vari´avel pode ser calculada tendo em conta formula¸c˜oes emp´ıricas desenvolvidas que permitem determinar a autonomia do sistema de acumula¸c˜ao tendo em conta o n´umero de horas de sol pleno HSP. Este consiste numa forma conveniente de se expressar o valor acumulado de energia solar durante o dia uma vez que h´a uma forte linearidade entre a produ¸c˜ao de energia e a radia¸c˜ao solar hor´aria. O n´umero de horas de sol pleno reflete o n´umero de horas em que a radia¸c˜ao solar deve permanecer constante e igual a 1 kWh/m2, de forma a que a energia resultante seja

equivalente `a energia disponibilizada pelo sol no local em quest˜ao (Galdino & Pinho, 2014). Conhecendo-se o HSP para o pior mˆes de radia¸c˜ao solar para o caso de estudo (setembro), o n´umero de dias de autonomia pode ser dado empiricamente por:

naut= −0, 48HSP + 4, 58 (6.5)

Na base mensal, a radia¸c˜ao incidente no plano dos m´odulos fotovoltaicos GT ´e convertida

para o seu valor m´edio, sendo que, para as coordenadas do local em estudo, o n´umero de horas de sol pleno do mˆes de setembro segundo os dados clim´aticos obtidos no Polysun ´e de 4,98 kWh/m2 o que resulta em 2 dias de autonomia, arrendondando por defeito (VelaSolaris, 2020). Normalmente os bancos de baterias dos sistemas fotovoltaicos tˆem 2 a 4 dias de autonomia, sendo por isso mais um indicador que a regi˜ao possui elevados ´ındices solares para o aproveitamento (Galdino & Pinho, 2014). O n´umero de baterias ser´a ent˜ao igual ao quociente da capacidade de armazenamento do sistema CM e a capacidade

nominal unit´aria de cada bateria escolhida para o banco de armazenamento Cb.

Nbat=

CM

Cb

(6.6)

Tabela 6.3: Cen´ario 2- Dimensionamento do banco de baterias

M´etodo 1 M´etodo 2 Dias autonomia naut 2 Dias autonomia naut 2

Excedente m´aximo 939,1 kWh Energia m´edia

requerida `a rede 947,5 kWh Capacidade de armazenamento 1 878,2 kWh Capacidade de armazemento 1 895,0 kWh N´umero de baterias 313 Numero de baterias 316

Com vista a suavizar o investimento, opta-se por selecionar o m´etodo que identifica o menor n´umero de baterias, neste caso o primeiro m´etodo, concluindo-se que o banco de baterias dever´a possuir 313 baterias, para as condi¸c˜oes de excedente m´aximo, que ocorre no dia 27 de abril. Ainda assim, o n´umero de baterias ´e bastante elevado devido `as grandes quantidades de energia a armazenar, reduzindo a liga¸c˜ao `a rede.

Note-se que o tempo de vida ´util da bateria ´e dado em anos ou em ciclos de funci- onamento como se pode verificar na tabela 6.2, que correspondem ao descarregamento e carregamento total do equipamento, sendo que esses ciclos est˜ao intimamente ligados ao estado de carga da bateria. Pretende-se, por isso, avaliar o estado de carregamento m´edio durante o ano, a fim de determinar o n´umero de ciclos que esta poder´a realizar e consequentemente o n´umero de anos de vida ´util do equipamento. Quanto maior for a necessidade de descarregamento das baterias devido ao consumo imposto, menor ser´a a dura¸c˜ao das mesmas, j´a que tal faz com que seguidamente haja necessidade de novo carregamento e, por isso, outro ciclo. A tabela 6.4 verifica a dura¸c˜ao da bateria consoante o seu estado de carregamento, assim como as ocorrˆencias para um determinado estado de carregamento.

6.1. Avalia¸c˜ao energ´etica

Tabela 6.4: Cen´ario 2- Verifica¸c˜ao da dura¸c˜ao da bateria

Parˆametro Valor Capacidade de armazenamento 1 878 kWh No dias estado de carregamento entre 50 e 90 % 30

No dias estado de carregamento <50 % 8 730 Estado de carregamento m´edio 22,3 % No ciclos estado de carregamento m´edio 6 000

No ciclos por ano 1 284

No anos 4,67

No anos efetivo 4

Apesar das baterias poderem ter uma vida ´util de 20 anos, considerando o n´umero de ciclos efetuado pelas mesmas no caso de estudo e o estado de carregamento m´edio (22,3 %), a sua dura¸c˜ao ser´a de 4,37 anos. Adotando uma postura conservadora, estas devem ser substitu´ıdas ao fim de 4 anos. O estado de carga m´edio das baterias ´e baixo, perto do seu estado de carga m´ınimo (20 %), uma vez que em grande parte das horas do ano a bateria est´a descarregada devido `a falta de excedente e sobretudo grandes necessidades de energia que fazem com que a capacidade do banco de baterias des¸ca at´e ao seu estado m´ınimo de carregamento. O n´umero de ciclos de funcionamento por ano ´e elevado, o que faz com que a dura¸c˜ao do banco de baterias seja muito reduzida dadas as elevadas quantidades de energia requeridas que faz com que a descarga total da bateria seja efetuada rapidamente quando h´a d´efice de produ¸c˜ao fotovoltaica. No cen´ario em estudo assume-se que o estado de carregamento no instante inicial de produ¸c˜ao corresponde ao SOC m´ınimo, 20 %. Seguidamente a figura 6.4 apresenta a varia¸c˜ao do estado de carregamento do banco de baterias ao longo do primeiro ano de produ¸c˜ao.

Apesar da elevada capacidade de armazenamento, n˜ao s˜ao atingidos elevados estados de carregamento, ultrapassando apenas em 30 ocasi˜oes 50 % de carregamento (tabela 6.4), devido aos consumos instantˆaneos elevados do processo industrial. Esta verifica- ¸c˜ao permite concluir que um cen´ario de armazenamento h´ıbrido pode ser vantajoso quer tecnicamente como economicamente, uma vez que com uma menor capacidade de arma- zenamento e consequentemente menor investimento, podem ser obtidos maiores estados de carregamento, aproveitando melhor a potencialidade da tecnologia. Outra alternativa passaria por determinar o n´umero de baterias do sistema de armazenamento para uma determinada probabilidade de ocorrˆencia de excesso energ´etico ou determinar o n´umero de dias de autonomia para um mˆes com um maior n´umero de horas de sol pleno e analisar as consequˆencias adjacentes no desempenho do sistema.

Apresentam-se agora os resultados da evolu¸c˜ao provenientes do primeiro ano de funcio- namento do parque fotovoltaico com armazenamento de energia el´etrica em baterias.

Figura 6.5: An´alise anual do sistema com armazenamento de energia recorrendo a baterias.

Tabela 6.5: Cen´ario 2- Valores anuais dos parˆametros de desempenho

Parˆametro de desempenho Valor anual Consumo anual de energia Epcs 2 069,55 MWh

Entrada na rede Eteg 0 MWh Retirada da rede Efeg 596,74 MWh Auto-alimenta¸c˜ao Eocs 1 472,81 MWh

% Auto-alimenta¸c˜ao 97,43 % % Autonomia 71,17 %

Como se verifica pelos resultados apresentados na figura 6.5 e tabela 6.5, a auto- alimenta¸c˜ao m´edia do sistema atinge um valor bastante elevado com a implementa¸c˜ao de um banco de baterias como complemento ao sistema fotovoltaico, mais concretamente

6.1. Avalia¸c˜ao energ´etica

1 472,81 MWh dos 1 511,70 MWh gastos anualmente no processo da dessaliniza¸c˜ao da ´

agua do mar s˜ao provenientes da produ¸c˜ao el´etrica em corrente alternada dos pain´eis fotovoltaicos, ou seja 97,43 %.

Acrescenta-se ainda que, devido ao armazenamento de energia realizado pelas baterias, o sistema n˜ao necessita de injetar energia na rede devido ao facto de todo o excedente de produ¸c˜ao ser armazenado e posteriormente utilizado no consumo el´etrico. Tal faz com que a energia requerida `a rede sofra tamb´em um decr´escimo quando comparado com a solu¸c˜ao anterior, favorecendo assim a auto-alimenta¸c˜ao e autonomia do sistema. Assim, esta ´e uma solu¸c˜ao que minimiza a liga¸c˜ao `a rede nacional angolana, que apresenta uma s´erie de problemas relacionados com o funcionamento e estabilidade j´a mencionados anteriormente (CESO, 2012).

O sistema apresenta-se pelas raz˜oes evidenciadas mais aut´onomo, atingindo um pico de autonomia no mˆes de maio, cerca de 85 %, que corresponde ao mˆes de maior produ¸c˜ao resultante do maior rendimento energ´etico e por isso onde a energia requerida `a rede ´e diminuta. No entanto, devido `a menor produ¸c˜ao energ´etica nos restantes meses, a energia m´edia anual requerida `a rede ´e de 28,83 %, que equivale a uma autonomia de 71,17 %.

Ser´a tamb´em estudado mais `a frente na sec¸c˜ao 6.1.4 um cen´ario de armazenamento h´ıbrido, onde se recorre a uma menor capacidade do banco de baterias e utiliza¸c˜ao do vetor energ´etico hidrog´enio, com vista a atenuar alguns custos provocados pelas substitui¸c˜oes do equipamento e pr´oprio investimento.

6.1.3 Sistema fotovoltaico com armazenamento de energia sob a forma