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Como determinar a capacidade de um sistema BESS no fim da sua vida útil, e não logo no início: uma explicação
A capacidade indicada na etiqueta de especificações no primeiro dia informa aos clientes o que uma bateria pode armazenar quando nova, e não o que irá fornecer de forma fiável anos mais tarde. Este guia esclarece exatamente como calcular a capacidade no início da vida útil a partir da responsabilidade no fim da vida útil e como contestar as suposições pouco fundamentadas dos fornecedores.
Um sistema de armazenamento de energia em baterias anunciado como tendo 30 kWh pode armazenar aproximadamente essa quantidade em condições de teste de fábrica quando novo; no entanto, a energia CA útil disponível para o consumidor pode ser significativamente inferior quando se têm em conta as restrições de profundidade de descarga, as perdas do inversor, o consumo complementar, a redução de potência devido à temperatura, o tempo de inatividade e a perda gradual de capacidade ao longo do tempo.
Então, por que razão alguém iria comparar uma obrigação com um prazo de dez anos com um fator de avaliação recém-saído da fábrica?
Eu não o faria.
A realidade é que grande parte do setor das baterias continua a adotar uma abordagem prospectiva: começa-se por definir o tamanho do produto, estima-se um valor positivo de energia utilizável e discute-se a deterioração mais tarde. Um dimensionamento adequado de sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) funciona ao contrário. Começamos pela potência que deve chegar à carga no final do período de funcionamento previsto e, a seguir, calculamos a quantidade de baterias que deve ser instalada no primeiro dia.
Ignorar essa diferença está a tornar-se cada vez mais dispendioso. Os Estados Unidos adicionaram 6,4 GW de armazenamento em baterias em 2023, um aumento anual de 70%, enquanto a capacidade de baterias à escala de rede ultrapassou os 26 GW em 2024, após a instalação de mais 10,4 GW. O desenvolvimento a esse ritmo agrava as especificações deficientes tão rapidamente quanto potencia a boa engenharia.
A capacidade inicial não é a capacidade que o projeto está a obter
Um equipamento não gera receitas, não garante a liberdade de backup nem cumpre um compromisso de capacidade apenas pelo facto de a sua bateria ter sido aprovada num teste de aceitação durante o comissionamento.
A tarefa ganha valor ao fornecer a potência e a energia necessárias quando é contratada.
Consideremos uma bateria doméstica com uma capacidade nominal de 30 kWh. A etiqueta responde a uma questão específica: qual é a quantidade de energia eletroquímica que o fabricante classifica como capacidade nominal em condições específicas? No entanto, não responde diretamente a:
Qual é o consumo em quilowatts-hora do ar condicionado?
O que acontece após 3 000 ciclos completos comparáveis?
Qual é a capacidade que se mantém ao longo do mês mais quente?
A garantia permite uma profundidade de descarga de 100%?
Os sistemas de climatização, os controlos, as bombas e a capacidade de reserva estão incluídos?
Que estado de bem-estar dá origem a um reforço ou a uma substituição?
O valor garantido é medido nos terminais da célula, no barramento de corrente contínua ou no ponto de interligação?
Não se trata de notas de rodapé técnicas. São o próprio trabalho.
O quadro de análise da Sandia para o armazenamento de energia de longa duração em 2024 considera a taxa de degradação como uma variável de desempenho afetada por fatores ambientais, profundidade de descarga, preço da tarifa e taxa de descarga. A sua matriz de fatores competitivos distingue, além disso, a potência nominal, a potência de saída, a eficiência de ciclo completo, a degradação, o tempo de inatividade, a amplitude de variação da temperatura e o consumo auxiliar, em vez de os agrupar num único valor global.
Esse é o estado de espírito adequado. A capacidade é uma cadeia de deduções.
Definir as obrigações relativas ao fim da vida útil antes de escolher uma bateria
O primeiro passo no dimensionamento de um sistema de armazenamento de energia em baterias não é escolher o fosfato de ferro e lítio, um inversor ou um armário.
Está a redigir uma declaração de tarefas de fim de vida.
Uma afirmação defensável poderia ser a seguinte:
No final do 10.º ano, o BESS deverá fornecer 30 kWh de energia para o ar condicionado, com o fator de ligação, durante uma descarga de quatro horas, à temperatura ambiente de projeto definida, sem ultrapassar o intervalo de estado de carga exigido.
De momento, temos algo que pode ser fabricado.
A declaração de obrigações deve definir, pelo menos, 6 limites:
Energia fornecida necessária: Os quilowatts-hora do lado da corrente alternada que têm de chegar à carga ou à rede.
Potência de descarga necessária: O compromisso de potência sustentada em kW ou MW.
Duração do contrato: Anos, ciclos, rendimento ou qualquer outro limite que seja atingido inicialmente.
Ponto de dimensão: Célula, componente, barramento de corrente contínua, resultado do inversor ou medidor de lucros.
Condições de funcionamento: Temperatura, altitude, estado de carga, taxa de carga (C-rate) e tempo de resposta.
Procura de horários: Basta que um único componente, prateleira, inversor ou sistema de refrigeração e aquecimento deixe de funcionar para que o resultado obtido seja prejudicado.
Simples? Nem por isso.
Uma bateria de 40 kWh ligada a um inversor de 12 kW não significa, automaticamente, que o sistema tenha uma capacidade de fornecimento de 40 kWh. O sistema ligado Sistema doméstico de armazenamento de energia fotovoltaica de 12 kW com uma bateria de 40 kWh apresenta uma referência útil para a configuração — 15 kW de energia fotovoltaica, um inversor de 12 kW e 40 kWh de capacidade de armazenamento reduzida — mas a composição química, a tensão, a garantia contra a deterioração e a janela de funcionamento operacional ainda têm de ser especificadas antes de se poder determinar a produção no fim da vida útil.
O produto é o ponto de partida. O acordo de eficiência é o objetivo.
A fórmula de dimensionamento do BESS que causa problemas
Para um cálculo preliminar, utilizo esta estrutura:
C_BOL = capacidade nominal necessária no início da vida útil
E_EOL = potência necessária do aparelho de ar condicionado no final da vida útil
SOH_EOL = estado de saúde e bem-estar no fim da vida, previsto ou modelado
DoD_usable = profundidade de descarga útil permitida
η_discharge = desempenho do percurso de descarga de corrente contínua para corrente alternada
F_temperatura = redução da capacidade ou da potência à temperatura de projeto
F_disponibilidade = margem para falhas ou componentes inacessíveis
F_auxiliar = margem para refrigeração e aquecimento, sistemas de gestão, bombas e outras cargas parasíticas
Todos os aspetos têm de utilizar exatamente a mesma base de referência e de avaliação.
Essa frase parece chamar a atenção. É constantemente ignorada.
Um fornecedor pode estimar o desempenho máximo do inversor 95%, outro pode estimar o desempenho de ciclo completo da bateria e um terceiro pode deduzir a entrada de apoio fora dos limites garantidos. Aumentar esses números sem integrar as respetivas interpretações resulta numa precisão de folha de cálculo com um disparate de engenharia por baixo.
Uma discussão sobre a avaliação do armazenamento de energia em 2024, realizada com a Sandia, destacou a necessidade de definir a eficácia de ciclo completo em diferentes estados de carga e de modelar a degradação por ciclos, em vez de considerar o desempenho da bateria como um valor fixo.
A minha política é clara: quando um fornecedor apresenta uma percentagem de eficiência sem indicar qualquer curva de carga, nível de temperatura, intervalo de estado de carga ou limites de referência, considero-a informação publicitária.
Exemplo prático: Fornecimento de 30 kWh no 10.º ano
Acho que o sistema tem de cumprir o prometido 30 kWh de ar condicionado no 10.º ano.
O valor aproximado do sobredimensionamento implícito do BESS é de:
49,6 ÷ 30 = 1,65
Assim, um trabalho que exija 30 kWh de energia fiável para ar condicionado no final da vida útil poderá necessitar de praticamente 50 kWh de potência nominal inicial, de acordo com estes pressupostos.
Essa lacuna é a história.
Mesmo que a utilização complementar já estivesse contemplada noutros locais e fosse eliminada da fórmula, a procura continuaria certamente a estar relacionada com 47,1 kWh, e não 30 kWh. Um pequeno sistema de 30 kWh, com base nos restantes pressupostos, forneceria certamente apenas cerca de 19,1 kWh no que diz respeito ao problema específico do fim de vida útil.
A título de comparação, o Kit fotovoltaico doméstico de 8 kW com capacidade de armazenamento em bateria de 30 kWh combina um sistema fotovoltaico de 9,6 kW, um inversor de 8 kW e uma bateria de 30 kWh. Isso poderá ser adequado para várias aplicações residenciais; no entanto, a sua adequação a uma necessidade de distribuição de 30 kWh ao longo de dez anos não pode ser determinada apenas com base na capacidade nominal, uma vez que a página do produto não especifica a composição química da bateria, a tensão, a garantia de estado de saúde nem o limite de energia utilizável.
Isto não é uma crítica a um produto específico. É uma lição sobre compras para todo o setor.
Quais são as presunções de destruição que, na realidade, alteram a solução?
A deterioração do BESS não se resume a uma percentagem anual insignificante.
O envelhecimento natural continua enquanto a bateria permanece inativa. O envelhecimento por ciclos intensifica-se com o consumo de energia. Um elevado estado de carga, ciclos de descarga profunda, temperatura elevada das células, carregamento agressivo, desigualdade entre as células e funcionamento repetido perto dos limites de tensão podem acelerar a perda de capacidade ou o aumento da resistência. O modelo de 2024 da Sandia identifica claramente as condições ambientais, a profundidade de descarga, a taxa de carga e a taxa de descarga como fatores de degradação.
A química também é importante.
Fosfato de lítio e ferro, criado como LiFePO FOUR e, habitualmente, abreviada como LFP, é amplamente escolhida para armazenamento estacionário, uma vez que o seu perfil de funcionamento difere das composições químicas ricas em níquel, como o NMC. No entanto, a designação química não elimina as diferenças na conceção e construção das células, na monitorização térmica, nas limitações do BMS, na uniformidade de fabrico e na abordagem em matéria de garantia.
2 Os sistemas LFP podem envelhecer de forma diferente.
Consequentemente, a abordagem mais eficaz para o dimensionamento de um sistema de armazenamento de energia por bateria (BESS) recorre a uma curva de degradação, e não a um único valor de retenção sem fundamento. No mínimo, é necessário:
Presunções de envelhecimento cronológico com base nos registos anuais de temperatura
Presunções relativas ao envelhecimento por ciclos, em função da profundidade de descarga e da taxa de carga (C-rate)
Significado de «ciclo completo igual»
Curva de retenção de energia infalível por ano
Produção garantida em MWh
Resistência dimensional e procedimento de inspeção
Exigências de equilíbrio e recalibração das células
Capacidade de potência no fim da vida útil, não apenas retenção de energia
Exclusões da garantia relativas ao estado de carga em modo de espera e ao nível de temperatura de funcionamento
O Programa Federal de Monitorização da Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos divulgou, a 8 de julho de 2024, uma lista de aquisições de sistemas de armazenamento de energia por baterias de iões de lítio (BESS) para uso industrial, fornecendo às agências governamentais tarefas padronizadas, consultas tecnológicas e pontos de referência para o desenvolvimento inicial de projetos. Trata-se de um precedente discreto, mas importante: os compradores mais experientes estão a ser pressionados a adotar um processo de aquisição estruturado, em vez de aceitarem uma ficha técnica apelativa como base de projeto.
Tabela de níveis de sensibilidade: pequenos ajustes nas premissas, grandes ajustes nas capacidades
A tabela que se segue baseia-se num requisito de 30 kWh para aparelhos de ar condicionado em fim de vida útil. Os valores são meramente ilustrativos e não devem alterar um plano de destruição aprovado pelo fabricante.
Cenário
EOL SOH
DoD funcional
Eficiência de libertação
Temperatura variável
Disponibilidade
Variável complementar
Capacidade necessária desde o primeiro dia
Proposta otimista
90%
95%
97%
100%
99%
98%
37,7 kWh
Instância de disposição equilibrada
85%
90%
95%
97%
98%
97%
44,0 kWh
Caso tradicional de dez anos
80%
90%
95%
95%
98%
95%
49,6 kWh
Instância em condições de temperatura extrema
75%
85%
93%
90%
97%
93%
61,8 kWh
Uma célula numa folha de cálculo pode alterar a aquisição em dezenas de quilowatts-hora.
Qual será a presunção que o representante de vendas irá contestar em primeiro lugar? Geralmente, aquela que aumenta a taxa de estimativa de preço. Qual será a presunção que o proprietário irá contestar em primeiro lugar? Aquela com as provas de análise mais fracas.
No caso de aplicações de menor dimensão, aplica-se exatamente a mesma matemática. O Pacote completo de sistema de armazenamento de energia solar (ESS) doméstico de 5 kW com uma bateria de 20 kWh inclui um painel fotovoltaico de 6 kW e um inversor de 5 kW; no entanto, uma bateria com capacidade nominal de 20 kWh geraria certamente cerca de 12,7 kWh no limite de fim de vida utilizado no exemplo apresentado, antes de se incluir qualquer margem de reserva separada.
O alcance muda. A física, não.
Escolher um tamanho maior no primeiro dia ou aumentar mais tarde?
Existem duas abordagens tradicionais.
Sobredimensionamento inicial instala capacidade de bateria suficiente logo à partida para cumprir a obrigação relativa ao fim de vida útil, sem necessidade de adicionar módulos posteriormente.
Aumento planeado instala um primeiro sistema de menor dimensão e vai adicionando blocos de baterias durante o período de funcionamento, à medida que a capacidade vai diminuindo.
O sobredimensionamento é mais simples do ponto de vista operacional. Reduz o risco de compras futuras, o risco de incompatibilidade, a mobilização de recursos, a integração de software e a possibilidade de o formato original da célula deixar definitivamente de ser fabricado.
Mas, além disso, imobiliza capital numa fase inicial, pode aumentar as exigências em termos de gestão térmica, ocupa ainda mais espaço e pode fazer com que a capacidade inicial fique subutilizada.
A ampliação parece economicamente vantajosa num modelo, uma vez que o investimento é diferido. No entanto, pressupõe componentes compatíveis, características de tensão correspondentes, espaço disponível no rack, suporte para o BMS, capacidade de inversor de reserva, prestadores de serviços qualificados, cooperação em matéria de garantia e um período de interrupção aceitável da rede, daqui a vários anos.
É uma longa lista de pressupostos.
E tenho uma opinião bem definida sobre isto: a ampliação nunca deve ser apresentada como uma nota vaga do tipo “colocar baterias no sétimo ano”. Deve ser um âmbito bem definido, com uma pegada planeada, interfaces elétricas, conceção de comunicações, estudos de defesa, capacidade térmica, testes de certificação, atividades de aquisição e um responsável designado pelo trabalho.
Uma técnica de cruzamento é, muitas vezes, muito mais válida:
Estabelecer capacidade suficiente para fazer face à degradação modelizada durante os primeiros anos de exploração.
Identificar as áreas físicas e elétricas que necessitam de melhorias.
Definir um gatilho de otimização com base no consumo energético real do ar condicionado, e não apenas no dia previsto no horário.
Exigir uma avaliação anual das competências em situações de problemas reproduzíveis.
Manter as distâncias de segurança entre o inversor e o transformador, sempre que tal se justifique do ponto de vista económico.
As perguntas sobre a compra que revelam falhas no dimensionamento do BESS
Antes de aceitar uma proposta relativa a baterias, pediria ao fornecedor que respondesse por escrito às seguintes perguntas:
A capacidade nominal é avaliada ao nível da célula, do módulo, do rack, do barramento de corrente contínua ou do contador de corrente alternada?
Qual é a potência do ar condicionado garantida no momento da instalação?
Que potência de CA é garantida no final do período de garantia?
A garantia baseia-se em anos, ciclos, rendimento ou na primeira limitação atingida?
Que curva de estado de saúde sustenta o dimensionamento da capacidade do BESS?
Que perfil de temperatura anual foi concebido?
Que profundidade de descarga e que estado normal de carga foram considerados?
O ar condicionado e os sistemas de controlo estão incluídos na garantia de eficiência?
Como é que a capacidade é testada, tratada e arredondada?
Que resistência dimensional se aplica?
A capacidade de alimentação está garantida no final da vida útil?
Isso cobre os custos com mão-de-obra adicional, entregas, marcação de horários e tempo de inatividade?
É possível combinar módulos novos com módulos antigos?
O que acontece se o módulo original for interrompido?
A garantia assegura a retenção de energia ou limita-se a substituir o equipamento avariado?
Aprecia a forma como está escrito.
“Eficiência até 95%” não equivale a um desempenho operacional anual garantido. “Garantia de dez anos” não equivale à energia CA utilizável de 80% após 10 anos. “6 000 ciclos” não tem significado enquanto não forem definidos a profundidade de descarga, o nível de temperatura, a taxa C e o limite de fim de vida útil.
A proposição tem de resistir à análise matemática. Depois disso, tem de passar pelos procedimentos.
Perguntas Frequentes
O que é a capacidade de um sistema de armazenamento de energia por bateria (BESS) no fim da vida útil?
A capacidade de um sistema de baterias de energia de armazenamento (BESS) no fim da vida útil é a potência de rede que um sistema de baterias pode fornecer com precisão no ano de retirada de serviço especificado ou no número de ciclos especificado, após ter em conta a perda de capacidade, a profundidade de descarga permitida, as perdas de conversão, a redução de potência devido à temperatura, o consumo de apoio, a disponibilidade e qualquer reserva legal que não possa ser descartada.
É importante referir que, num ponto de medição definido, de preferência o ponto de ligação à corrente alternada, quando a responsabilidade do projeto diz respeito ao fornecimento de energia a um lote ou à rede.
Como se calcula a capacidade do BESS no fim da vida útil?
Para calcular a capacidade do BESS no fim da vida útil, divida a energia solicitada fornecida em CA pelos fatores relativos à retenção prevista do estado de saúde, profundidade útil de descarga, eficiência do percurso de descarga, redução de potência devido à temperatura, programação e cargas auxiliares; em seguida, arredonde para cima para um valor que permita uma configuração viável com margem de segurança.
O resultado é a potência nominal inicial. A classificação de potência deve, então, ser analisada individualmente, uma vez que uma quantidade suficiente de kWh não garante potência suficiente em kW ao longo de todo o período de descarga.
O que é uma variável de sobredimensionamento do BESS?
Um aspeto relacionado com o sobredimensionamento do BESS é o multiplicador aplicado à energia fornecida necessária no fim da vida útil, para determinar a capacidade nominal inicial mais elevada necessária após a destruição, uma vez que são tidas em conta as limitações da janela de funcionamento, as perdas de eficiência, os impactos da temperatura, as cargas de apoio e as deduções de acessibilidade.
Por exemplo, um fator de sobredimensionamento de 1,65 implica que uma obrigação de 30 kWh no fim da vida útil requer cerca de 49,5 kWh de capacidade instalada no primeiro dia.
Será que o estado de saúde da bateria 80% é sempre a hipótese correta?
Os 80 % de estado de bem-estar são um fator de referência contratual habitual, não uma constante física universal, uma vez que a retenção real depende da composição química, da estrutura celular, da idade cronológica, dos ciclos completos equivalentes, da profundidade de descarga, da taxa de carga (C-rate), do contexto da temperatura, da qualidade do equilíbrio e dos problemas específicos de medição da garantia.
Utilize o código 80% apenas quando este corresponder ao contrato, ao plano de deterioração, ao perfil operacional e ao tratamento do teste de capacidade. Caso contrário, trata-se simplesmente de um número redondo conveniente.
Será que um sistema de armazenamento de energia por bateria (BESS) deve ser dimensionado com margem de segurança desde o início ou ser ampliado posteriormente?
O sobredimensionamento permite instalar uma capacidade de bateria muito maior no momento da contratação, enquanto o reforço consiste na adição de componentes posteriormente para recuperar a capacidade perdida; a melhor opção depende do momento do investimento, da compatibilidade futura dos componentes, do tratamento fiscal e financeiro, do tempo de inatividade, do impacto, do projeto térmico, das regras de garantia e da capacidade do proprietário de suportar os riscos de implementação anos após a contratação.
Uma estratégia híbrida funciona frequentemente bem; no entanto, é necessário desenvolver inicialmente melhorias nas áreas elétrica, mecânica, térmica, de controlo e contratual.
Dê importância à responsabilidade, não ao panfleto
O dimensionamento do BESS deve responder a uma preocupação:
Qual é a potência que o sistema ainda tem de fornecer quando estiver velho?
Comece por aí. Defina os requisitos do ar condicionado, o período de descarga, a duração do contrato, a temperatura de funcionamento, a disponibilidade, o estado do pavimento, a profundidade útil de descarga e o limite complementar. Em seguida, faça um cálculo retroativo até à capacidade no primeiro dia.
Não deixe que a placa de identificação determine a potência necessária.
Para um projeto doméstico ou de energia solar com armazenamento, compare as opções disponíveis logo após a estimativa do fim da vida útil estar concluída. Avalie as opções de sistemas de 20 kWh, 30 kWh e 40 kWh em função do seu consumo real, do período de autonomia de reserva, das condições de temperatura e das necessidades de armazenamento; em seguida, solicite um orçamento com base na energia útil garantida até ao fim da vida útil, em vez de se basear apenas nos poucos kWh do primeiro dia.
