Vehicle-to–Grid (V2G)

A independˆencia de energia ´e um grande problema de pol´ıtica, devido ao facto de a na¸c˜ao consumir grande parte do petr´oleo, em combust´ıveis para fins de uso em transportes e juntamente existir a crescente consciencializa¸c˜ao dos impactos do aque- cimento global que as emiss˜oes de CO2 produzem. Estes fatores contribuem para

3.6. APLICAC¸ ˜OES DAS BATERIAS NOS SEE 87

visam reduzir drasticamente a necessidade do petr´oleo, tornando os ve´ıculos mais eficientes e virando-se para fontes alternativas de energia.

Em particular, o desenvolvimento dos ve´ıculos com baterias ou BVs (Battery Vehi- cles), sob a forma de qualquer plug-in de ve´ıculos h´ıbridos, denominado Plug-in Hibrid Vehicles (PHEVs), ou todos os ve´ıculos el´etricos, denominado Eletric Vehi- cles (EVs) est´a diretamente abordando todos estes problemas. As carater´ısticas comuns dos PHEVs e EVs ´e que ambos exigem a utiliza¸c˜ao de uma bateria, que ´e a fonte de toda ou parte da energia necess´aria para a propuls˜ao. Os fabricantes de autom´oveis tˆem atendido ao pedido para a produ¸c˜ao de novos ve´ıculos e est˜ao atualmente a conceber novos produtos e j´a existe novos investimentos, e ao longo dos pr´oximos anos podemos contar com uma implementa¸c˜ao profunda de BVs. Tal crescimento cria tanto uma nova classe de carga para carregar as baterias e novas oportunidades para a integra¸c˜ao efetiva de BVs nas redes, Guille and Gross(2009). Dadas as carater´ısticas da natureza e f´ısicas dos ve´ıculos com baterias, a sua inte- gra¸c˜ao na rede ´e efetuada ao n´ıvel da tens˜ao de distribui¸c˜ao. Tal interconex˜ao per- mite a procura de BV para ser ligado na rede, obter a energia e carregar a bateria. Os BVs quando agregados em n´umeros consider´aveis, constituem uma nova carga que o sistema de energia el´etrica deve fornecer. No entanto, os ve´ıculos com baterias po- dem ser muito mais do que apenas uma carga simples dado que as transferˆencias de energia bidirecionais s˜ao poss´ıveis uma vez que a interconex˜ao ´e implementada. De facto, a integra¸c˜ao permite o desenvolvimento de BVs como uma fonte de produ¸c˜ao, bem como um dispositivo de armazenamento por determinados per´ıodos de tempo quando esse desenvolvimento auxilia o operador do sistema para manter as opera¸c˜oes confi´aveis de um modo mais econ´omico. Refere-se aos ve´ıculos de baterias agregados como dispositivo de produ¸c˜ao/armazenamento. Todo o conceito de usar BVs como um recurso distribu´ıdo de carga e dispositivo de produ¸c˜ao/armazenamento pela sua integra¸c˜ao na rede ´e conhecido como vehicle-to-grid (V2G). Sob esse conceito, os ve´ıculos de baterias tornam-se participantes ativos em opera¸c˜oes de rede e desem- penham um papel importante na melhoria da fiabilidade, economia e caracter´ıstica ambiental das opera¸c˜oes do sistema. No entanto, o conceito V2G ainda est´a em fase de conce¸c˜ao e est´a a espera da sua implementa¸c˜ao, um desafio particularmente dif´ıcil, Guille and Gross (2009).

dos BVs e tira o m´aximo partido dos ve´ıculos enquanto est˜ao estacionados, aprovei- tando as baterias para fazer contribui¸c˜oes ben´eficas para a rede como uma carga e dispositivo de produ¸c˜ao/armazenamento.

Uma carga na sua fase de carregamento fora de condi¸c˜oes de pico durante a noite, a agrega¸c˜ao BV inserida talvez nivele o estado de carga, contribuindo assim para reduzir a necessidade do servi¸co de regula¸c˜ao durante esses per´ıodos. Como recurso durante o dia, quando BV est˜ao estacionados, a agrega¸c˜ao BV pode proporcionar servi¸co de regula¸c˜ao baixo ou elevado nesses per´ıodos. Sendo assim, BV atua como uma fonte de produ¸c˜ao e dispositivo de armazenamento.

O agregador que re´une os BVs para criar um grupo para atuar como fonte de ener- gia distribu´ıda (DER) ´e a entidade fundamental para tornar o conceito V2G im- plement´avel. O agregador tamb´em fornece uma interface com o operador de rede independente ou organiza¸c˜ao de transmiss˜ao regional (ISO/RTO), cuja responsa- bilidade ´e operar e controlar o sistema de energia de grandes quantidades, e com os fornecedores de servi¸cos energ´eticos (ESP) fornecem a energia el´etrica para os utilizadores atrav´es da rede de distribui¸c˜ao, figura 3.14.

No entanto, com a tecnologia Smart Grid os utilizadores podem escalonar o tempo de carga durante a noite e oferecer aos consumidores pre¸cos mais baixos para per´ıodos fora das horas de pico de energia, e pode praticamente eliminar a necessidade de novas centrais de energia renov´aveis, Amin and Wollenberg (2005).

Este tipo de desenvolvimento de ve´ıculos tamb´em ´e alvo de estudo e desenvolvimento cient´ıfico por especialistas portugueses, (Ferreira et al., 2011).

O estado de carga geralmente diminui quando a energia ´e retirada da bateria e aumenta quando a energia ´e absorvida pela bateria. Deste modo, enquanto o pro- priet´ario do ve´ıculo trabalha durante o dia, coloca-o em parques para ve´ıculos a bateria, quando est´a de volta a casa no final da tarde liga o ve´ıculo para carregar durante a noite, a SOC evoluir´a ao longo de um modelo ilustrado na figura 3.15. A gama t´ıpica comercial de baterias de armazenamento BV, ou seja o valor de C, denominado de capacidade de armazenamento, ´e de 1 a 60 kWh. As baterias tˆem ca- pacidade de resposta r´apida, na ordem de milissegundos para atingir a sua produ¸c˜ao m´axima e geralmente pode ser totalmente recarregada em 5 horas ou menos (Chan and Chau, 2001). Assim, a potˆencia de sa´ıda da bateria est´a geralmente entre 0,2 -

3.6. APLICAC¸ ˜OES DAS BATERIAS NOS SEE 89

Figura 3.14 – A agrega¸c˜ao BV pode atuar como uma carga control´avel, ou como um dispositivo de produ¸c˜ao / armazenamento (Guille and Gross,2009).

6 kW.

A bateria liberta energia mais facilmente quando o SOC ´e elevado ou quando se encontra acima de um certo n´ıvel de tolerˆancia. No gr´afico da figura 3.16estipula-se um valor de 60% para o n´ıvel de tolerˆancia, ou seja, quando SOC ´e inferior este n´ıvel a utiliza¸c˜ao mais adequada para a bateria ´e para absorver a energia. Al´em disso, o desempenho geral da bateria quer para a absor¸c˜ao ou liberta¸c˜ao de energia ´e muito maior numa gama em torno deste n´ıvel de tolerˆancia (Yamane et al., 2002), sendo ainda um tema de pesquisa o valor que pode variar o seu n´ıvel de tolerˆancia. Se a bateria liberta energia, o ve´ıculo atua como um recurso de fornecimento de energia. Se a bateria absorve energia, o ve´ıculo atua como um recurso de procura de energia. No entanto, consoante o n´ıvel de SOC, pode-se ter o ve´ıculo num momento de procura e fornecimento de energia. Este processo encontra-se ilustrado no gr´afico da figura 3.16.

Figura 3.15 – Evolu¸c˜ao do SOC de um BV durante um dia (Guille and Gross,2009).

Figura 3.16 – Estado de carga determina o funcionamento da bateria (Guille and Gross,

3.7. RESUMO 91

3.7

Resumo

Perante o desenvolvimento das novas tecnologias de produ¸c˜ao de energia el´etrica e aplica¸c˜ao destas, como sistemas aut´onomos fotovoltaicos e e´olicos e o desenvol- vimento de novos ve´ıculos el´etricos que funcionam como dispositivo de produ¸c˜ao / armazenamento de energia, denominados de V2G, h´a a necessidade de se obter m´etodos pr´aticos e fi´aveis de armazenamento de energia em grande escala. As bate- rias eletroqu´ımicas s˜ao uma boa aplica¸c˜ao de sistemas de armazenamento de energia, pois al´em de existir uma vasta gama de tipos de baterias, s˜ao uma tecnologia com elevada densidade de energia, energia espec´ıfica e potˆencia espec´ıfica, e algumas de- les apresentam elevado tempo de vida ´util, s˜ao de f´acil ou pouca manuten¸c˜ao e facilidade de montagem e manuseamento.

As baterias de chumbo-´acido e i˜oes de l´ıtio continuam a ser a tecnologia com maior utiliza¸c˜ao atualmente. No entanto surgem novas baterias que apresentam uma maior tempo de vida, baixa manuten¸c˜ao e que s˜ao capazes de armazenar energia durante longos per´ıodos de tempo, que s˜ao o caso da baterias de fluxo, que est˜ao desenvol- vimento para posterior utiliza¸c˜ao em ve´ıculos.

No entanto, novas solu¸c˜oes surgem para baterias, como o magn´esio altamente atra- tivo como material para o ˆanodo das baterias recarreg´aveis, devido `as suas proprie- dades de ser um material ativo com baixo potencial de oxida¸c˜ao-redu¸c˜ao, um metal mais leve, com elevada capacidade espec´ıfica, um mineral abundante e os seus com- postos podem ser considerados como ecol´ogicos e seguros podendo ser manuseado sob o ar ambiente. Pode-se dizer que poder´a ser um bom motivo para desenvolvi- mento de novas baterias recarreg´aveis, atualmente encontram-se em desenvolvimento como poss´ıvel substitui¸c˜ao `as baterias de l´ıtio e para posterior utiliza¸c˜ao em ve´ıculos el´etricos, Novfik et al. (1995).

Al´em destes m´etodos de armazenamento de energia renov´avel, existem outros m´etodos que podem ter poss´ıveis aplica¸c˜oes no armazenamento de energias renov´aveis.

4

Outros m´etodos de

armazenamento de energia

Embora paradigm´atico, o armazenamento de energia pode ser realizado de forma eficaz. Inicialmente, deve ser transformada numa outra forma de energia “arma- zen´avel” e voltar a ser transformada quando necess´aria. H´a v´arias t´ecnicas poss´ıveis para o armazenamento de energia, de acordo com respetivas formas: mecˆanica, qu´ımica e t´ermica. As tecnologias de armazenamento que correspondem a crit´erios t´ecnicos e econ´omicos espec´ıficos, que variam consideravelmente em fun¸c˜ao das aplica¸c˜oes e necessidades, ser´a, obviamente, de diferentes tipos. As tecnologias s˜ao muitas, mas um estudo comparativo torna-se dif´ıcil pelo facto de, entre outros, os seus n´ıveis de desenvolvimento variam muito (Couffin and Perrin, 2005).

As t´ecnicas de armazenamento podem ser divididas em quatro categorias, de acordo com suas aplica¸c˜oes (Ibrahim et al., 2008):

1. Aplica¸c˜ao de baixa potˆencia em ´areas isoladas, essencialmente para alimentar sistemas de emergˆencia ou sinaliza¸c˜ao;

2. Aplica¸c˜ao de potˆencia m´edia em ´areas isoladas (sistemas el´etricos individuais, abastecimento el´etrico a consumidores particulares);

3. Aplica¸c˜ao de compensa¸c˜ao de produ¸c˜ao em horas de pico de consumo na liga¸c˜ao `a rede;

4. Aplica¸c˜oes de melhoramento de qualidade de energia;

As duas primeiras categorias s˜ao para sistemas de pequena escala onde a energia pode ser armazenada como energia cin´etica (flywheel ), energia qu´ımica, ar compri- mido, Hidrog´enio (c´elulas de combust´ıvel), ou em supercondensadores ou supercon- dutores magn´eticos. A terceira e quarta categoria s˜ao para sistemas de larga escala, onde a energia pode ser armazenada como energia grav´ıtica (sistemas hidr´aulicos), energia t´ermica (calor sens´ıvel e latente), energia qu´ımica (acumuladores, baterias de fluxo), ou ar comprimido (ou juntamente com armazenamento de g´as l´ıquido ou natural).