O que é um sistema de armazenamento de energia em baterias?

Um sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS, na sigla em inglês) captura energia elétrica da rede, da geração solar ou eólica. Ele armazena essa energia como energia química em células recarregáveis e a libera sob demanda. Engenheiros e desenvolvedores de projetos que avaliam BESS geralmente se concentram primeiro na composição química das células. Mas a vida útil depende de mais do que apenas a composição química. A faixa de temperatura de operação, a variação térmica entre as células e a integração do gerenciamento térmico são as variáveis que mais provavelmente determinam se um sistema funciona conforme projetado.

O que um sistema de armazenamento de energia em baterias faz — e como a escala de implantação molda os requisitos.

Um sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS) armazena eletricidade quando a oferta excede a demanda — durante horários de menor consumo ou picos de geração solar — e a descarrega quando a demanda aumenta ou a energia da rede é interrompida. Durante a fase de carga, o sistema de conversão de energia converte a eletricidade recebida em corrente contínua (CC) e a envia para as células da bateria para armazenamento. Durante a descarga, a energia CC armazenada flui de volta através do sistema de conversão de energia, que a converte em corrente alternada (CA) para distribuição à rede ou à carga. Entre os ciclos, o sistema de gerenciamento de baterias monitora a tensão, a temperatura, o estado de carga e o estado de saúde das células.

A escala de implantação determina quais variáveis de engenharia precisam de maior controle. Sistemas de grande escala geralmente começam na faixa de vários MW e chegam a centenas de MWh. Eles suportam regulação de frequência e deslocamento diário de picos de carga. A alta frequência de ciclo impõe cargas térmicas contínuas ao conjunto de baterias. Sistemas comerciais e industriais (C&I) abrangem a faixa de dezenas de kWh a vários MWh. Estes lidam com redução de picos de demanda e fornecimento de energia de reserva, frequentemente em ambientes com espaço limitado, onde a dissipação de calor é mais difícil de alcançar. Implantações distribuídas e de microrredes introduzem fontes de carga variáveis e requisitos de maior autonomia. As temperaturas ambientes externas nessas instalações podem levar as células a operar fora de sua faixa operacional ideal sem uma estratégia de resfriamento dimensionada adequadamente.

Os componentes principais de um sistema de armazenamento de energia em baterias e como eles interagem.

O desempenho de um sistema de armazenamento de energia em baterias depende de seis subsistemas integrados.

O gestão térmica da bateria O sistema é o componente mais frequentemente subespecificado na fase de projeto. Ele não distribui energia nem aparece nos cálculos de rendimento energético. Mas determina se todos os outros componentes operam dentro de seus limites de projeto ao longo de milhares de ciclos — e se o sistema atinge sua vida útil garantida.

Por que os sistemas de armazenamento de baterias frequentemente se degradam antes do término de sua vida útil nominal?

O equívoco mais comum na aquisição de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) é que a vida útil nominal em ciclos depende principalmente da composição química. Fuga térmica O estresse térmico e a temperatura estão entre os fatores de degradação mais fortes e subestimados em projetos de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS). Seu impacto é maior quando a uniformidade da temperatura no nível do pacote não é controlada. Eles também interagem com a profundidade de descarga, a taxa de descarga (C-rate), a faixa de estado de carga (SOC) e a exposição ao ambiente.

As células da bateria sofrem envelhecimento por meio do envelhecimento cronológico em repouso e do envelhecimento cíclico durante os ciclos de carga e descarga. Ambos os processos se aceleram quando as células operam fora de sua faixa de temperatura ideal. Quando as temperaturas das células variam ao longo de um conjunto — uma condição conhecida como alta diferença de temperatura entre células (ΔT) — as células em zonas mais quentes carregam e descarregam em taxas diferentes das células vizinhas mais frias. O sistema de gerenciamento de baterias (BMS) compensa isso por meio do balanceamento de células. No entanto, isso introduz ciclos de carga adicionais em células já sobrecarregadas. Com o tempo, as células mais fracas definem o limite de capacidade para todo o sistema.

Quando as equipes de projeto selecionam uma química com base apenas na contagem de ciclos nominal, a perda de capacidade no mundo real geralmente supera a projeção da ficha técnica. Observamos esse padrão surgir nos primeiros anos de operação. O modo de falha não é a célula em si, mas sim a suposição de que as células operarão nas condições descritas na ficha técnica do fabricante. A programação do BMS e as estratégias de balanceamento em nível de bateria dependem da arquitetura do sistema e devem ser validadas com o integrador de sistemas.

Comparação da química das baterias: LFP, NMC e as limitações térmicas inerentes a cada uma.

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias dependem principalmente de duas composições químicas de células para aplicações estacionárias: fosfato de ferro-lítio (LFP) e óxido de níquel-manganês-cobalto de lítio (NMC). Cada uma apresenta restrições térmicas distintas que devem orientar tanto a seleção da composição química quanto o projeto de gerenciamento térmico.

Faixas de referência típicas de engenharia — verifique com a folha de dados da célula e os dados de teste da UL 9540A.

Os valores apresentados são faixas de referência de engenharia representativas, não limites de certificação universais. Os limites operacionais reais, o comportamento de fuga térmica e a vida útil dependem do fornecedor da célula, do formato da célula, da janela de SOC (estado de carga), da taxa C, do projeto do invólucro e do método de teste. Verifique com a folha de dados específica da célula e os dados de teste da norma UL 9540A.

O maior limite de fuga térmica e o ciclo de vida mais longo do LFP fazem dele a química preferida para a maioria dos projetos estacionários comerciais e industriais, bem como para concessionárias de energia. Quando a segurança, a longevidade e o custo total de propriedade ao longo de um ciclo de vida de 10 a 15 anos são os principais fatores decisivos, o LFP é o ponto de partida padrão. O NMC é adequado para instalações onde a área ocupada é a principal restrição — backups de data centers e certas instalações marítimas são exemplos comuns. Nenhuma das duas químicas elimina a necessidade de gerenciamento térmico ativo. A maior tolerância térmica do LFP não significa que seu desempenho seja o mesmo em toda a sua faixa de operação. O desempenho em ambas as químicas cai drasticamente abaixo de 10 °C.

Onde os sistemas de armazenamento de energia em baterias são implantados e o que cada aplicação exige.

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias desempenham funções distintas em três contextos principais de implantação, cada um moldado por diferentes perfis de capacidade, requisitos de duração de descarga e características de carga térmica.

• armazenamento em rede em escala de utilidade pública Os sistemas geralmente começam na faixa de vários MW e podem chegar a centenas de MWh. Eles suportam regulação de frequência e deslocamento de carga de pico em condições de alta frequência de ciclo. A instalação externa em locais de grande porte implica em grandes variações nas condições ambientais, de acordo com a geografia e a estação do ano. A arquitetura de gerenciamento térmico deve ser dimensionada para toda a faixa de temperatura do local, e não para condições médias.
• Redução de pico e backup para empresas e indústrias. Os sistemas abrangem instalações de dezenas de kWh a vários MWh. Eles descarregam por duas a quatro horas durante os períodos de tarifa de pico e mantêm uma reserva para eventos de continuidade de energia. Recomendamos avaliar a arquitetura de resfriamento em relação às temperaturas extremas documentadas do local — mínimas no inverno e máximas no verão — na fase inicial de especificação. Um sistema de telhado em contêiner em um clima quente enfrenta condições fundamentalmente diferentes de uma instalação em um porão em uma região temperada.
• Microrredes distribuídas e instalações isoladas da rede elétrica Isso inclui infraestrutura remota, redes insulares e energias renováveis instaladas atrás do medidor, que exigem maior autonomia. Padrões de carga variáveis e temperaturas ambientes extremas levam as células a operar fora de sua faixa ideal sem uma estratégia de resfriamento ativa e dimensionada adequadamente.

Como a arquitetura de gerenciamento térmico determina o desempenho a longo prazo do BESS

O gerenciamento térmico em um sistema de armazenamento de energia em baterias abrange a extração de calor em nível de célula, o projeto do circuito de refrigeração e a integração do BMS para regulação de temperatura em circuito fechado. A escolha entre opções de gerenciamento térmico ativo e passivo deve refletir a densidade de potência, a faixa de temperatura ambiente e a frequência do ciclo.

Para uma descrição mais detalhada de cada abordagem, consulte nosso guia sobre o assunto. tipos de sistemas de refrigeração de baterias Utilizado em aplicações de armazenamento estacionário.

O resfriamento a ar funciona bem para sistemas de baixa densidade de potência em ambientes internos controlados com temperaturas estáveis. Suas limitações surgem quando a frequência dos ciclos cria cargas térmicas contínuas que o fluxo de ar convectivo não consegue remover com rapidez suficiente. Nesse caso, a temperatura da célula aumenta entre os ciclos, em vez de retornar ao nível inicial.

O resfriamento por placa fria líquida extrai o calor diretamente da superfície do módulo da bateria. Um circuito de refrigeração integra-se aos materiais de interface térmica posicionados entre a célula e a placa. Essa abordagem permite obter uma diferença de temperatura (ΔT) intercelular mais precisa. As células permanecem dentro de sua faixa ideal sob ciclos de alta taxa contínuos. Pesquisas sobre Como o resfriamento líquido prolonga a vida útil dos sistemas de armazenamento de energia Os resultados apontam consistentemente para a uniformidade de ΔT — e não apenas para o controle absoluto da temperatura — como o fator dominante na redução da perda de capacidade.

O resfriamento não substitui a detecção de incêndio, o monitoramento de gases, o isolamento elétrico, o projeto do invólucro ou os testes de propagação de incêndio conforme a norma UL 9540A. A segurança do sistema depende de componentes certificados, sistemas de detecção e supressão e conformidade com as normas de instalação — o resfriamento aborda o estresse térmico e a uniformidade da temperatura dentro desse contexto mais amplo.

Nosso Soluções de refrigeração ESS Combinamos placas frias líquidas, materiais de interface térmica e engenharia de circuitos de refrigeração. Validamos o desempenho de refrigeração em relação ao formato de célula, à composição química e ao ambiente de implantação específicos de cada projeto antes de finalizar o design.

Padrões de segurança para sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) que toda equipe de projeto deve verificar.

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias estão sujeitos a um conjunto complexo de normas que abrangem certificação de componentes, segurança do sistema, aprovação de instalação e conformidade com as normas de proteção contra incêndio. Confirme a conformidade com as normas aplicáveis antes de finalizar a arquitetura do sistema.

UL 9540 é a norma de segurança em nível de sistema para sistemas de armazenamento de energia. Ela abrange procedimentos de carga e descarga, requisitos de proteção contra incêndio e integração do sistema. UL 9540A Testes para avaliar o risco de propagação descontrolada de calor. As autoridades competentes consultam esses testes ao analisar se um sistema pode ser instalado em uma determinada configuração.

NFPA 855 Estabelece requisitos mínimos para instalações de sistemas estacionários de armazenamento de energia. Isso inclui distâncias de separação, ventilação, detecção e supressão. IEC 62933 Abrange todo o escopo das normas de sistemas de armazenamento de energia elétrica. A norma IEC 62933-1 é a referência para definições, planejamento, instalação e terminologia de segurança de sistemas de armazenamento de energia elétrica.

Para orientações de engenharia sobre Prevenção de fuga térmica em sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) Para obter informações sobre a arquitetura de resfriamento e os requisitos de teste de propagação da norma UL 9540A, consulte nossa visão geral técnica dedicada, que aborda o nível do sistema.

O projeto de gerenciamento térmico deve ser avaliado não apenas como um recurso de desempenho, mas também por sua contribuição para a mitigação da fuga térmica e a redução do risco de propagação de incêndios. Decisões sobre a arquitetura de resfriamento tomadas no início do projeto — antes da definição do layout do gabinete e do espaçamento de instalação — oferecem maior flexibilidade de projeto e o menor custo de alteração.

Conclusão

O desempenho de um sistema de armazenamento de energia em baterias depende de três variáveis interdependentes. A composição química deve ser compatível com o perfil de ciclo e a temperatura ambiente da aplicação. O sistema de gerenciamento de baterias (BMS) deve monitorar e proteger cada célula individualmente com precisão. E a arquitetura de gerenciamento térmico deve manter a uniformidade da temperatura do conjunto de baterias em condições reais de operação — e não apenas nas condições especificadas na ficha técnica.

Nos projetos de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) que apoiamos, os sistemas com resfriamento líquido ativo especificado desde a fase de projeto apresentam uma perda de capacidade mais previsível. Falhas prematuras são menos frequentes do que em sistemas onde o gerenciamento térmico foi subdimensionado ou adicionado após a instalação. A exceção se aplica a sistemas com baixa frequência de ciclos em ambientes internos estáveis e com temperatura controlada — nesses casos, o resfriamento a ar é apropriado. Para sistemas com alta frequência de ciclos, exposição a altas temperaturas ambientais ou instalação com espaço limitado, o gerenciamento térmico não é um detalhe que possa ser negligenciado.

Para uma análise mais aprofundada dos princípios de engenharia por trás disso, Projeto de sistema de refrigeração líquida para gerenciamento térmico de sistemas de armazenamento de energia., Nosso guia técnico aborda a seleção de fluido refrigerante, configurações de placas frias e dimensionamento da vazão por tipo de aplicação.

Para avaliar as opções de gerenciamento térmico para o seu projeto de armazenamento de energia em baterias (BESS), compartilhe os parâmetros do seu sistema — composição química, configuração das baterias, perfil de ciclo e condições ambientais do local. Assim, poderemos avaliar como nossa solução pode atender às suas necessidades. Soluções de refrigeração ESS atender aos requisitos específicos. Quanto mais cedo o projeto térmico for inserido no processo, mais opções estarão disponíveis.

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