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Como as perdas de eficiência no ciclo completo alteram a rentabilidade dos projetos de sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS)
A eficiência de ida e volta não é um pressuposto de engenharia de menor importância; determina a quantidade de energia adquirida que se mantém durante tempo suficiente para gerar receitas. Esta análise demonstra como pequenas diferenças de eficiência podem reduzir em milhões de dólares o retorno dos projetos BESS.
Quando os programadores concebem um sistema de armazenamento de energia em baterias utilizando uma percentagem de desempenho garantida, cada descarga prevista, operação de arbitragem, reembolso de capacidade e taxa de procura evitada depende de energia elétrica que poderá nunca chegar ao contador de consumo.
Então, por que é que o desempenho de ida e volta continua escondido no separador «pressupostos»?
A resposta direta é que a eficiência de ida e volta dos sistemas BESS parece satisfatória quando apresentada como uma percentagem. Um sistema 88% não parece ser substancialmente pior do que um sistema 92%. No entanto, se aplicarmos esses números a um projeto de 100 MW/400 MWh com ciclos diários, os quatro fatores de proporção em falta traduzem-se em 16 MWh de energia elétrica comercial perdida por ciclo.
Isso equivale a 5 840 MWh por ano.
A um preço de venda de $90/MWh, a diferença representa $525 600 em receitas brutas anuais, antes de se incluírem no modelo os custos com destruição, tempo de inatividade, melhorias, taxas de rede e serviço da dívida financeira.
Uma pequena percentagem. Um grande dano.
A eficácia de ida e volta do BESS é uma variável monetária, não um dado técnico da ficha de especificações
A eficiência de ida e volta do BESS é a relação entre a potência elétrica descarregada e a energia elétrica faturada ao longo de um período de funcionamento completo.
A fórmula básica é simples:
Eficiência de ida e volta = energia libertada ÷ energia armazenada
Carregue um sistema com 100 MWh e recupere 88 MWh; o seu desempenho determinado é de 88%. Os restantes 12 MWh foram consumidos ou dissipados devido à resistência das células, à conversão de energia, aos transformadores, ao cablagem, à monitorização térmica, aos controlos, às bombas, às ventoinhas, às reservas do sistema de incêndio e a vários outros equipamentos auxiliares.
O Departamento de Energia dos Estados Unidos recomenda avaliar a eficácia com base em dados de carga e descarga medidos a longo prazo, em vez de se basear num único ciclo controlado. O seu método de análise tem em conta que a temperatura, a taxa de carga, as ações operacionais e o estado inicial e final da carga podem alterar o desempenho determinado.
Essa distinção é importante porque o número no modelo de investimento financeiro raramente é apenas um dado de entrada no modelo. Ele determina:
Produção de energia comercializável
Despesas com energia de carregamento
Spreads de equilíbrio de arbitragem
Captacção de energia solar
Previsões de receitas dos comerciantes
Resultado da certificação de recursos renováveis
Prazo de reembolso
Cobertura do seguro de serviço da dívida
Valor atual líquido e taxa interna de rendibilidade
A minha opinião é simples: um conselho de investimento financeiro deve abordar uma hipótese de eficiência que necessite de apoio da mesma forma que trata uma previsão do preço da eletricidade que necessite de apoio. Ambas podem inflacionar os retornos. Ambas podem fazer com que um projeto fraco pareça financiável.
De que forma é que a eficácia de ida e volta afeta os rendimentos dos sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS)?
O desempenho do ciclo completo afeta os retornos do BESS através de dois canais em simultâneo: o trabalho adquire mais energia do que aquela que consegue comercializar, e o preço fiável de cada MWh fornecido aumenta à medida que ainda mais energia se perde no interior do sistema.
Despesas médias com energia elétrica de carregamento: $30/MWh.
Com uma eficiência de 92%, a produção de um MWh comercial requer aproximadamente 1,087 MWh de potência faturada. O custo energético eficiente é, consequentemente, de cerca de $32,61 por MWh fornecido.
Com uma eficiência de 82%, a produção desse mesmo MWh comercial requer cerca de 1,220 MWh. O preço efetivo de faturação aumenta para cerca de $36,59 por MWh fornecido.
Não houve alterações no mercado. A bateria limitou-se a transformar uma parte maior da energia elétrica adquirida em calor e a apoiar o consumo.
É aqui que os modelos simplificados de ROI dos sistemas BESS ficam aquém. Calculam as receitas com base na capacidade disponibilizada, mas determinam os custos de carregamento como se cada MWh adquirido acabasse por ser recuperado. O que não acontece.
Uma fórmula mais defensável para a margem bruta é a seguinte:
Margem bruta do ciclo = MWh libertados × preço de tabela − MWh cobrados × preço de aquisição
E a potência libertada deve estar ligada à eficiência do ar condicionado, medida ou exigida:
MWh libertados = MWh carregados × rendimento de ida e volta do ar condicionado
Se ignorarmos essa relação, o modelo deixa de ser conservador, agressivo ou otimista.
Isso está errado.
Uma diferença de quatro pontos no desempenho pode fazer com que um cargo perca milhões
Consideremos, a título de exemplo, uma bateria de 100 MW/400 MWh que realiza um ciclo completo comparável por dia.
Presunções:
Energia de faturação: 400 MWh por ciclo
Custo de carregamento: $30/MWh
Custo de libertação: $90/MWh
Ciclos: 365 por ano
Sem destruição, melhorias, tempo de inatividade, custos fixos de operação e manutenção, impostos, custos de ligação à rede ou custos de financiamento
Eficiência avaliada na fronteira entre o ar condicionado e o contador de receitas
Desempenho de ida e volta da corrente alternada
Energia recuperada por ciclo
Energia perdida por ciclo
Custo efetivo de carregamento por MWh fornecido
Margem bruta anual
Perda de margem em relação ao 92%
92%
368 MWh
32 MWh
$32.61
$7,708,800
$0
88%
352 MWh
48 MWh
$34.09
$7,183,200
$525,600
85%
340 MWh
60 MWh
$35.29
$6,789,000
$919,800
82%
328 MWh
72 MWh
$36.59
$6,394,800
$1,314,000
O caso 82% gera uma margem bruta anual de $1,314 milhões, muito inferior à do caso 92%.
Mantendo todas as outras premissas constantes para uma projeção de 15 anos, a diferença não descontada atinge $19,71 milhões. A eficiência na prática seria certamente mais complexa, uma vez que o desempenho da bateria, a capacidade útil, o calendário, a frequência de ciclos e os spreads de mercado variam ao longo do tempo.
Mas isso não enfraquece o argumento. Pelo contrário, reforça-o.
A versão ilustrativa omite os custos que, normalmente, agravam a situação.
Por que razão a norma 85% é útil, mas não constitui uma solução global
A Base Tecnológica Anual de 2023 do Laboratório Nacional de Recursos Renováveis pressupõe um desempenho de 85% de ida e volta para sistemas de armazenamento em baterias à escala de rede e baseia-se num ciclo por dia para o seu sistema padrão de quatro horas.
Essa presunção relativa ao 85% aplica-se à preparação de nível superior. Não constitui uma autorização para aplicar o 85% diretamente a todas as versões monetárias.
Historicamente, o desempenho real da frota tem sido reduzido em algumas condições de funcionamento. A Agência de Informação Energética dos EUA (EIA) registou um desempenho médio mensal de ida e volta de 82% para a frota de baterias à escala de serviços públicos dos EUA, com base nas informações operacionais de 2019 por si avaliadas.
A diferença entre o 85% e o 82% pode ter origem em várias áreas:
Diferentes limites de medição
Admissão complementar
Funcionamento do PCS em carga parcial
Temperatura ambiente elevada ou baixa
Necessidades de refrigeração e aquecimento ou de refrigeração líquida
Perdas nos transformadores
Restrições relativas ao estado de carga
Modelos de envio rápido
Envelhecimento da bateria
Metodologia de medição
Controlos cujos custos e desembolsos ocorrem no mesmo período de reporte
Assim, uma presunção de 85% pode ser convencional para uma instalação e agressiva para outra.
O que importa não é se a percentagem parece normal. O que importa é se os limites do sistema, o ciclo de obrigações, o ambiente, a disposição dos dispositivos e os termos da garantia correspondem à tarefa que está a ser financiada.
Eficácia da viagem de ida e volta entre CA e CC: o limite pode influenciar a decisão de investimento financeiro
A eficiência de ida e volta em corrente contínua (CC) mede normalmente a energia no lado da bateria do sistema de conversão de energia. O desempenho de ida e volta em corrente alternada (CA) mede a energia que atravessa os limites de um aparelho de ar condicionado e pode incluir perdas de conversão e ao nível da instalação, dependendo da localização dos contadores.
A diferença entre as porções pode parecer pequena.
A diferença financeira pode não ser.
Uma figura que represente uma célula de bateria ou um bloco de corrente contínua pode omitir:
perdas de conversão informática
Perdas nos transformadores de média tensão
Perdas no ar condicionado e na cablagem de corrente contínua
Bombas de arrefecimento líquido
Sistemas de ar condicionado
Aquecedores de armário
Sistemas de gestão de baterias
Sistemas de gestão de energia
Equipamentos de deteção e extinção de incêndios
Equipamento de comunicações e controlo
Admissão em modo de espera
É por isso que comparar o valor de eficiência de um módulo de bateria com o valor de receita de uma instalação completa pode induzir em erro. O financiador paga pela energia elétrica fornecida no contador industrial, e não pela energia elétrica que sai de uma célula dentro da sala.
Pense num objeto como, por exemplo, um Sistema de armazenamento de energia LiFePO4 «tudo-em-um» de 100 kW e 215 kWh. A arquitetura integra a bateria, o PCS, o EMS, o BMS, o sistema de refrigeração, a segurança contra incêndios e as interações. Essas componentes integrados simplificam o processo de aquisição, mas indicam também que a eficácia do sistema deve ser analisada como um sistema operacional completo, em vez de ser inferida apenas a partir da composição química das células.
A dura realidade sobre as alegações relativas ao desempenho dos fornecedores
Um argumento de elevada eficácia não é necessariamente falso. Pode simplesmente responder a uma questão mais restrita do que aquela que o capitalista acredita que aborda.
Esse valor foi determinado ao nível da célula, do componente, da prateleira, do barramento de corrente contínua, dos terminais do PCS, da saída de corrente alternada de baixa tensão, do transformador de média tensão ou do contador de energia?
A que temperatura?
A que taxa C?
Em que consistia a utilização dos auxiliares?
O sistema estava no início da sua existência?
O exame completou um ciclo inteiro?
Os custos iniciais e finais eram iguais?
Foi registado consumo em modo de espera?
Sem essas soluções, “um desempenho de até 95%” é apenas um argumento publicitário, não uma premissa com validade financeira.
Recusaria qualquer tipo de versão de cenário base que utilizasse a percentagem máxima anunciada por um fornecedor sem que lhe estivessem anexados um protocolo de ensaio, um diagrama do sistema, o limite do contador, a definição do ciclo de funcionamento e as medidas a tomar em caso de desempenho inferior ao esperado.
E, de facto, as garantias são importantes.
Uma garantia baseada apenas na capacidade mantida pode proteger contra uma destruição excessiva, mas oferece pouca proteção contra uma baixa eficácia de conversão ou cargas de suporte elevadas. Os programadores devem procurar compromissos específicos relativamente à energia funcional, ao desempenho de ida e volta do ar condicionado, ao calendário e ao desempenho do feedback.
Caso contrário, o projeto pode cumprir a garantia de capacidade de serviço e, mesmo assim, não atingir a sua previsão de receitas.
Uma estratégia de arrefecimento pode melhorar o desempenho e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia
A gestão térmica implica um compromisso pouco satisfatório.
As células funcionam melhor dentro de um intervalo de temperatura controlado. O excesso de calor aumenta a resistência, acelera a deterioração e pode exigir uma redução da potência nominal. No entanto, os dispositivos de arrefecimento consomem energia elétrica, pelo que o sistema pode melhorar as condições da bateria, mas simultaneamente diminuir a eficiência medida ao nível da central.
Isso não é uma oposição. É uma questão de fronteiras.
A Armário ESS C&I de LiFePO4 com refrigeração líquida, 241 kWh e 125 kW pode proporcionar um controlo mais rigoroso dos níveis de temperatura do que um sistema básico de refrigeração a ar, especialmente em condições de funcionamento comercial contínuo. No entanto, o projeto económico ainda tem de incluir a admissão da bomba, as cargas de controlo, o comportamento em carga parcial e a regulação em função da temperatura.
No caso de tarefas de maior dimensão, o sistema de refrigeração torna-se muito mais complexo, uma vez que a procura complementar se estende por vários racks ou contentores. A questão pertinente não é: “A refrigeração por fluido consome muito mais energia elétrica?”
A questão mais relevante é: “Será que o sistema completo gera ainda mais receitas ao longo do seu ciclo de vida, tendo em conta o desempenho, a degradação, a disponibilidade, a manutenção e a expansão?”
Muitas vezes, sim.
Muitas vezes, uma solução refrigerada a ar, de custo mais baixo, será certamente a vencedora.
Qualquer pessoa que recorra a uma resposta genérica está a disponibilizar ferramentas, não a avaliar aspetos económicos.
As perdas de eficácia e os problemas dos vendedores são superiores aos postos de trabalho criados
O impacto das perdas de eficiência dos sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS) depende em grande medida do volume de receitas.
Um projeto de capacidade adquirida pode obter grande parte das suas receitas pelo facto de estar disponível, em vez de pela transferência de grandes volumes de energia. A eficácia continua a ser importante, especialmente durante a fase de teste e a produção contínua; no entanto, o seu impacto direto nas receitas anuais pode ser limitado.
Um projeto de arbitragem comercial é diferente. A sua margem resulta de compras e vendas repetidas de energia. Cada MWh que se perde compromete a estrutura central da organização.
As tarefas de resposta em frequência podem realizar ciclos de curta duração, por mais frequentes que sejam. As tarefas de deslocamento solar podem completar um ciclo completo por dia. Os sistemas de redução de picos «behind-the-meter» podem ativar-se e desativar-se em função dos picos tarifários. Cada perfil estabelece uma relação diferente entre desempenho, degradação e receitas.
É por isso que a mesma bateria pode apresentar diferentes níveis de eficiência no sistema de armazenamento de energia, medidos em dois locais diferentes.
Envie as alterações para o dispositivo.
O mercado está a expandir-se tão rapidamente que pressupostos pouco sólidos podem passar despercebidos no meio de um forte crescimento do setor. A EIA informou que os EUA adicionaram 6,4 GW de armazenamento em baterias em 2023, um aumento anual de 70%, enquanto os promotores tinham inicialmente previsto 14,3 GW de expansões para 2024. A mesma entidade destacou a central solar Gemini, com 690 MW e 380 MW de capacidade de armazenamento em baterias, bem como o projeto Menifee Power Financial Institution, com 460 MW.
A Reuters noticiou, em agosto de 2024, que os custos internacionais das baterias se situaram em $139/kWh em 2023, abaixo dos $780/kWh registados um ano antes. A agência informou ainda que, no final de 2023, existiam 1 028 GW de capacidade de armazenamento de energia ligados às redes de interligação dos EUA e citou o projeto proposto de baterias de Edgewater, com 99 MW, como um exemplo da utilização da infraestrutura existente das centrais elétricas.
A queda dos preços das ferramentas contribui para a recuperação do emprego na BESS. Além disso, pode desviar a atenção dos investidores de pressupostos operacionais abaixo do esperado.
As baterias baratas não tornam a energia consumida totalmente gratuita.
A degradação e a perda de eficiência não devem ser modeladas como exatamente o mesmo ponto
A deterioração da capacidade e a destruição da eficácia estão relacionadas, mas não são sinónimos.
A perda de capacidade reduz a quantidade de MWh que a bateria consegue armazenar e libertar. A diminuição da eficiência aumenta a quantidade de energia que é necessário carregar para gerar cada MWh descarregado.
Consequentemente, um projeto pode enfrentar:
Menor capacidade funcional com eficiência garantida
Garantir a capacidade funcional com maiores perdas internas
Diminuição da capacidade e declínio da eficácia
Maior consumo de suporte sem degradação significativa das células
Estes casos dão origem a diversos lucros, garantias de serviço e resultados de melhoria.
Por exemplo, um Armário para bateria de alta tensão LiFePO4 de 215 kWh e 768 V especificações 90% relativas à profundidade de descarga e a um preço de descarga igual ou inferior a 0,5 C. Esses critérios explicam as limitações operacionais funcionais e os padrões de consumo de energia; no entanto, não substituem um modelo completo de eficiência do ar condicionado que inclua o computador e os dispositivos do local adequadamente combinados.
O modelo económico deve incluir pressupostos anuais distintos para:
Capacidade de energia útil
Eficiência de carga
Eficácia da libertação
Admissão complementar
Acessibilidade
Redução da potência nominal
Melhoria
Agendar a destruição
Destruição cíclica
Combinar todos esses valores numa única percentagem anual de “degradação” pode ser prático. No entanto, isso também torna difícil compreender por que razão o fluxo de caixa ficou aquém da previsão.
Como criar, exatamente, um modelo de eficácia do BESS que seja viável do ponto de vista financeiro
Começando pelo limite de medição.
O modelo tem de indicar exatamente onde a energia de carregamento entra e onde a energia libertada sai. No caso de uma aplicação comercial ligada à rede de corrente alternada, a eficiência da corrente alternada «de contador a contador» é, em geral, muito mais relevante para o retorno do investimento (ROI) do sistema de armazenamento de energia por bateria (BESS) do que o desempenho das células ou da plataforma de armazenamento.
Depois desses problemas de funcionamento do modelo, nem sequer vale o preço de um único folheto.
No mínimo, o exame:
Eficácia no início e no fim da vida
Lotes complementares da época de verão e de inverno
Desempenho do computador em potência máxima e em carga parcial
Dias de despacho de um ciclo e de vários ciclos
Várias janelas de nível de carga
Nível de temperatura previsto e altitude
Perdas no transformador e no cabo
Admissão em modo de espera
Melhoria prevista
Erro do contador e resolução de informações
Um modelo robusto deve, igualmente, incluir uma tabela de sensibilidade. Eu analisaria, sem dúvida, pelo menos o cenário base, o cenário do analista independente, um cenário pessimista moderado e um cenário pessimista grave.
No caso de aplicações à escala de contentores, a configuração dos dispositivos deve permanecer associada à instância de produção. A Sistema de armazenamento de energia (ESS) em contentor de 20 pés, com 500 kW e 1,5 MWh possui uma parceria de potência nominal de três horas para produção de energia, enquanto as suas aplicações podem incluir a redução de picos de consumo, energia de reserva, apoio à rede e comutação entre rede e fora da rede. Cada aplicação apresenta um perfil de funcionamento distinto e, por essa razão, um resultado final de eficiência diferente.
Não se limite a perguntar se o sistema é eficiente.
Pergunte se é eficiente durante as horas em que se gera valor.
O que os investidores devem ter em conta antes do encerramento financeiro
Antes de aceitarem um pressuposto de eficácia de ida e volta do BESS, os investidores e as instituições de crédito devem exigir provas que incluam as especificações técnicas necessárias para prever o fluxo de caixa.
O pacote mínimo deve incluir:
Um diagrama do sistema de uma linha que revela o limite da dimensão
Desempenho garantido do ar condicionado em todo o ciclo de funcionamento
Condições de temperatura e potência durante o exame
Terapia dos auxiliares
Valores no início e no fim da vida
Curvas de eficiência dos computadores em carga parcial
Desempenho do transformador
Orçamentos para cargas de refrigeração
Especificações de medição
Tratamento de ensaio de colocação em serviço
Tratamento anual de teste de desempenho
Problemas resolvidos ou uma solução adicional
Exclusões claras
Um método para lidar com as diferenças no estado de carga
A abordagem do DOE defende a utilização de dados de medição de longa duração, uma vez que os estados inicial e final da carga podem distorcer análises de curta duração, enquanto a temperatura e o preço de custo podem alterar o desempenho.
É isso que os modelos financeiros convencionais devem imitar: introduzir energia, medir a potência de saída, utilizar dados suficientes e deixar de afirmar que todas as perdas podem ser representadas por uma percentagem de laboratório bem definida.
Perguntas Frequentes
O que é a eficácia de ida e volta do BESS?
A eficiência de ida e volta do BESS é a percentagem de energia elétrica recuperada após um ciclo completo de carga e descarga, determinada pela divisão da energia descarregada pela energia carregada dentro dos limites definidos do sistema; um resultado de 90% significa que 10% da eletricidade adquirida ou gerada se perde antes da venda ou utilização.
A secção deve especificar se a medição é efetuada no lado da corrente contínua, no computador ou num contador de corrente alternada. Sem uma delimitação definida, as comparações entre itens ou tarefas podem induzir em erro.
Qual é a diferença entre a eficiência de ida e volta em corrente alternada (CA) e em corrente contínua (CC)?
O desempenho de ida e volta em corrente alternada (CA) reflete a energia devolvida ao contador de corrente alternada após ter sido contabilizada a energia do PCS, do transformador, da cablagem, da monitorização térmica, dos controlos e das cargas complementares, enquanto a eficiência de ida e volta em corrente contínua (CC) mede normalmente um limite mais restrito do lado da bateria e, consequentemente, apresenta normalmente uma percentagem mais elevada.
Para efeitos de financiamento de projetos, o número de conta é normalmente mais vantajoso quando as receitas do projeto se baseiam no consumo elétrico do ar condicionado, medido pelo contador.
Qual é o melhor desempenho do BESS em termos de rentabilidade do projeto?
A melhor eficácia do BESS em termos de rentabilidade do projeto é a eficiência do aparelho de ar condicionado mais elevada possível, repetível e verificada por medidores, que o sistema consiga manter em todas as condições previstas de temperatura, potência, estado de carga e envelhecimento, e não o valor mais elevado possível obtido em laboratório ou em corrente contínua (CC) indicado numa ficha técnica sob condições de teste favoráveis.
Um valor de compensação (AC) garantido e executável ao abrigo do 88% pode ser mais fiável do que um valor ao abrigo do 94%, tal como divulgado, com limites pouco claros, isenções amplas ou sem qualquer reparação económica.
De que forma é que o desempenho de ida e volta influencia os retornos do BESS?
A eficiência de ida e volta afeta os retornos do BESS, minimizando o MWh comercial, aumentando o custo efetivo de cada MWh fornecido, reduzindo as janelas de despacho lucrativas e enfraquecendo a certeza dos rendimentos; os efeitos negativos agravam-se com a regularidade do ciclo de funcionamento, os diferenciais de custo, o consumo de apoio, a perda de capacidade e quaisquer pressupostos relativos ao serviço da dívida associados ao fluxo de energia.
Os projetos cujos lucros provêm, na sua maioria, da arbitragem energética estão, normalmente, mais sujeitos a restrições do que as atividades financiadas principalmente por pagamentos fixos de acessibilidade ou de capacidade.
Será que um melhor desempenho no ciclo de carga e descarga pode reduzir a degradação da bateria?
Uma maior eficiência de ciclo de carga e descarga pode indicar uma resistência interna reduzida e uma menor geração de calor, mas não garante imediatamente uma deterioração mais lenta, uma vez que o envelhecimento da bateria depende também da composição química, da temperatura, da taxa de carga (C-rate), da profundidade de descarga, do estado de carga típico, do tempo decorrido e do método de controlo utilizado durante o funcionamento.
Consequentemente, o desempenho e a destruição devem figurar como pressupostos distintos no modelo de tarefa.
Modele as perdas antes de avaliar os rendimentos
As perdas de eficiência do BESS não se devem a um erro de arredondamento.
Eles calculam a quantidade de energia que chega ao destino, a amplitude exata do spread de mercado, a frequência com que a distribuição continua a ser rentável e se o fluxo de caixa previsto é suficiente para sustentar as expectativas financeiras do projeto em termos de dívida e capital próprio.
Por isso, analise a desvantagem.
Comparar os limites do ar condicionado e da corrente contínua. Modelo de apoio à utilização. A capacidade diminui devido à redução da eficácia. Exigir garantias baseadas em contadores. E analisar o caso de investimento com vários pontos percentuais abaixo da hipótese favorável.
Uma tarefa relacionada com baterias não gera receitas com a eletricidade poupada nas suas células.
Ganha dinheiro com a energia elétrica que é devolvida à rede.
