J´a os sistemas isolados da rede s˜ao projetados para operarem de forma independente da rede el´etrica alimentando certas cargas em CC ou em CA. Estes sistemas podem consistir nos m´odulos fotovoltaicos e uma carga, ou ent˜ao podem incluir baterias que permitam o armazenamento da energia produzida (Galdino & Pinho, 2014). No caso de existir ar- mazenamento, ´e normal estarem tamb´em inclu´ıdos controladores de carga que desligam os m´odulos quando as baterias est˜ao completamente carregadas, interrompendo o forne- cimento de energia `as cargas para prevenir que as baterias se descarreguem abaixo de um determinado limite pr´e-definido. As baterias dever˜ao ser respons´aveis por armazenar a energia produzida durante o dia para alimentar as cargas durante a noite ou durante per´ıodos de tempo de produ¸c˜ao fraca (Olindo et al., 2014).
Os sistemas h´ıbridos consistem na combina¸c˜ao de m´odulos fotovoltaicos e um m´etodo de gera¸c˜ao de eletricidade complementar, tal como um gerador a gas´oleo ou um aerogera- dor. Estes sistemas s˜ao mais complexos quando comparados com os sistemas abordados nos par´agrafos anteriores sendo que necessitam de componentes de controlo sofisticados capazes de integrar as v´arias fontes geradoras de energia, de forma a otimizar a opera¸c˜ao para o utilizador (Galdino & Pinho, 2014).
3.3
Sistemas de armazenamento de energia el´etrica
Atualmente existe um grande n´umero de tecnologias de armazenamento de energia el´e- trica, sendo que algumas delas encontram-se totalmente estabelecidas e outras ainda em constante desenvolvimento e investiga¸c˜ao (Evans et al., 2012). O funcionamento dos sis- temas de armazenamento consiste em trˆes fases: convers˜ao da energia el´etrica noutras formas de energia, armazenamento das mesmas e consequente reconvers˜ao dessas formas de energia em eletricidade, conforme as necessidades (Evans et al., 2012).
Com base no tipo de energia que armazenam, estas tecnologias podem ser agrupadas em cinco grandes categorias, como se apresenta na figura 3.7 (IEC, 2011). Neste trabalho ser˜ao destacados os sistemas de armazenamento eletroqu´ımicos, nomeadamente baterias, e qu´ımicos com recurso ao hidrog´enio e posterior utiliza¸c˜ao em c´elulas de combust´ıvel.
Figura 3.7: Diferentes tipos de sistemas de armazenamento de energia el´etrica.
3.3.1 Baterias
Uma bateria ´e um conjunto de c´elulas eletroqu´ımicas com a capacidade de armazenar energia el´etrica na forma de energia qu´ımica atrav´es de um processo eletroqu´ımico de oxida¸c˜ao e redu¸c˜ao que ocorre no seu interior. Quando a bateria ´e conectada a uma carga
el´etrica, o inverso acontece, ou seja, uma corrente cont´ınua ´e produzida pela convers˜ao da energia qu´ımica em energia el´etrica, sendo a convers˜ao da energia qu´ımica em energia el´etrica um processo revers´ıvel (Olindo et al., 2014).
Nos sistemas fotovoltaicos isolados da rede el´etrica, as baterias assumem-se como ne- cess´arias para satisfazer as necessidades por parte do utilizador em per´ıodos cuja gera¸c˜ao de energia ´e nula ou insuficiente. Nos sistemas conectados `a rede tamb´em s˜ao utilizadas baterias de forma a minimizar a liga¸c˜ao `a rede para suplantar as necessidades em per´ıodos de menor insola¸c˜ao, utilizando-se a energia excessiva produzida (Olindo et al., 2014).
As baterias chumbo-´acido s˜ao no mercado das baterias, a tecnologia mais madura e mais utilizada, que apresenta no ˆanodo o metal chumbo e no c´atodo o di´oxido de chumbo, ambos imersos numa solu¸c˜ao aquosa com ´acido sulf´urico. As baterias de i˜oes de l´ıtio utilizam uma tecnologia mais moderna que tem como principais vantagens a maior eficiˆencia, menor peso, maior vida ´util e maior profundidade de descarga quando comparadas com as baterias de chumbo-´acido. N˜ao obstante esses benef´ıcios, ainda n˜ao s˜ao economicamente vi´aveis na maioria dos sistemas fotovoltaicos (Elbaset et al., 2019). Apesar de todas as vantagens associadas `as baterias, estas possuem ainda um per´ıodo de utiliza¸c˜ao curto comparado com a dura¸c˜ao do projeto fotovoltaico (Olindo et al., 2014). A figura 3.8 apresenta o processo revers´ıvel que caracteriza a carga e a descarga das baterias.
(a) Descarregamento (b) Carregamento
Figura 3.8: Processos de descarregamento e carregamento de uma bateria chumbo-´acido (Olindo et al., 2014).
Durante a fase de sele¸c˜ao e dimensionamento das baterias a utilizar, deve ter-se em aten¸c˜ao as seguintes caracter´ısticas:
• Rendimento: rela¸c˜ao entre a energia fornecida na carga e a energia obtida na des- carga. Esta deve contabilizar perdas por auto-descarga, capacidade de resposta, entre outras (Elbaset et al., 2019);
• Profundidade de descarga m´axima: indica a percentagem da capacidade nominal que ´e usada antes de se proceder ao recarregamento da bateria. No entanto, quanto
3.3. Sistemas de armazenamento de energia el´etrica
mais profunda for a descarga menor ser´a o n´umero de ciclos de carga e descarga que a bateria conseguir´a efetua (Elbaset et al., 2019);
• Dura¸c˜ao: o tempo de vida ´util ´e avaliado em fun¸c˜ao do n´umero de ciclos de carga e descarga que a bateria consegue efetuar ou na dura¸c˜ao em anos propriamente dita. Quanto maior for o n´umero de ciclos num estado de carregamento mais elevado, menor ser´a a sua dura¸c˜ao (Elbaset et al., 2019).
3.3.2 C´elulas de combust´ıvel
Relativamente aos sistemas de armazenamento de energia qu´ımica, estes permitem arma- zenar grandes quantidades de energia e por per´ıodos de tempo longos. Outra vantagem destes sistemas reside na grande versatilidade do seu fim, podendo ser usadas em imensos sectores, como transporte, aquecimento e ind´ustria qu´ımica (IEC, 2011).
A maioria das c´elulas de combust´ıvel consistem num dispositivo que produz eletricidade e calor a partir de um combust´ıvel (o hidrog´enio) e de um oxidante (o oxig´enio), na pre- sen¸ca de um eletr´olito. Para isso torna-se fundamental a produ¸c˜ao e armazenamento de hidrog´enio, para que este possa ser posteriormente convertido em eletricidade na c´elula de combust´ıvel. Este dispositivo distingue-se das baterias convencionais, j´a que a bateria acumula e liberta energia el´etrica armazenada quimicamente, enquanto que uma c´elula de combust´ıvel produz energia a partir da rea¸c˜ao entre um combust´ıvel e um comburente, que frequentemente ´e o oxig´enio do ar. Deste modo, a c´elula de combust´ıvel continuar´a a fun- cionar e a produzir energia, desde que se garanta o fornecimento de oxig´enio e combust´ıvel. A utiliza¸c˜ao de hidrog´enio numa c´elula de combust´ıvel, quando combinado com oxig´enio, resulta apenas na liberta¸c˜ao de energia el´etrica, de calor e de ´agua, n˜ao existindo quais- quer emiss˜oes poluentes. Devido ao facto de libertam quantidades consider´aveis de calor durante o seu funcionamento, este pode ser utilizado para diversos fins, nomeadamente para a produ¸c˜ao de ´agua quente ou vapor. Por n˜ao possu´ırem partes m´oveis, as c´elulas de combust´ıvel apresentam maiores n´ıveis de confian¸ca comparativamente com os motores t´ermicos, da´ı o seu elevado crescimento na ind´ustria dos transportes, com temperaturas muito inferiores comparativamente `as de um processo de combust˜ao. Para baixas tempe- raturas o rendimento de convers˜ao da energia ´e geralmente superior nas c´elulas, todavia para temperaturas de opera¸c˜ao elevadas o desempenho dos motores de combust˜ao interna supera as c´elulas (Sørensen, 2012).
Apesar das vantagens identificadas das c´elulas de combust´ıvel, estas apresentam o incon- veniente de serem uma tecnologia com um custo de investimento elevado e cuja produ¸c˜ao pr´evia de hidrog´enio faz com que o rendimento global do processo seja baixo, para al´em dos elevados custos dos equipamentos conversores (Sørensen, 2012).
Na figura 3.9 est´a representada uma c´elula de combust´ıvel, constitu´ıda pelo ˆanodo e pelo c´atodo, perme´aveis e separados pelo eletr´olito. Dentro da c´elula, ocorre a separa¸c˜ao dos ´
atomos de hidrog´enio nos seus componentes, os prot˜oes e os eletr˜oes. Apenas os prot˜oes atravessam a membrana para o lado da c´elula em que se encontra o oxig´enio, combinando- se entre si e originando mol´eculas de ´agua e libertando calor. Por sua vez, os eletr˜oes do hidrog´enio n˜ao conseguem atravessar a membrana e s˜ao conduzidos por um condutor exterior `a c´elula, sendo que nesta passagem pelo exterior se pode aproveitar a energia associada a este escoamento dos eletr˜oes, produzindo energia el´etrica (AP2H2, Mar¸co
2020). O conjunto ˆanodo, c´atodo e eletr´olito ´e denominado MEA, do inglˆes Membrane Electrode Assembly.
Figura 3.9: C´elula de combust´ıvel (Cheng et al., 2007).