Neste artigo vamos abordar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia, e será adotada uma abordagem simples, objetiva e prática para compreensão dos principais parâmetros e critérios necessários para o seu devido dimensionamento.
As soluções de armazenamento de energia diferem muito de um fabricante para o outro, seja em capacidade de armazenamento, potência de conversão, tipologias que reúnem em apenas um Inversor o controle de carregamento e descarregamento da bateria, entrada DC para os Módulos Fotovoltaicos com rastreamento MPPT, entradas de uma ou mais fontes secundárias (Rede ou Gerador) e a transferência automática entre cargas normais e essências.
Essas tipologias também são identificadas como equipamentos com 2, 3 ou 4 entradas, BESS, ESS e/ou PCS, o que significa que uma ou mais das funcionalidades mencionados, já estão agrupadas em apenas um equipamento (Inversor). Mas como a abordagem para esse artigo tem outros objetivos, sugiro posterior pesquisa por parte do leitor para melhor compreensão de cada um desses e outros conceitos técnicos apresentados durante a sua leitura.
Por este motivo, não tem como aplicarmos os conceitos que vamos aprender aqui sem que seja utilizado como exemplo determinada solução ou modelo de algum fabricante específico. Sendo assim, para o nosso artigo vamos adotar a Solução Residencial LUNA 2000 do Fabricante Huawei para o dimensionamento das aplicações Off- Grid, Backup e Híbridas.
A Solução Residencial LUNA 2000, pode ser classificada como uma solução de Inversor com 3 entradas, que reúne em apenas um equipamento, a entrada de corrente continua para o rastreamento de máxima potência do arranjo fotovoltaico, acoplamento em corrente continua do controlador de carga e descarga da Bateria LUNA2000-5-30-SO e uma entrada e saída compartilhada com a rede, o que permite carregar a bateria seja pelo arranjo fotovoltaico ou pela rede, e também o descarregamento para atender o consumo das cargas normais (Modo Híbrido) ou essências através da Backup Box-BO (Modo backup) conectada em sua saída.
Nesta solução, a transferência automática para ligar as cargas essenciais no modo Backup é feita externa ao equipamento, através do Backup Box-BO. Essa é uma tipologia de solução que facilita a integração do Inversor Solar com os circuitos de carga essenciais, pois evita grandes “loops” de cabos, uma vez que você pode precisar manter o Inversor em um local muito distante do ponto onde será feita a transferência. Sendo assim, você só vai precisar estender apenas um circuito do Inversor, diferente do que ocorreria caso fosse um Inversor de 4 entradas, pois precisaria estender dois circuitos, um até a entrada do Inversor, e o outro da saída de cargas essenciais do Inversor até o ponto de transferência para os circuitos atendidos em modo Backup. Como podemos observar na Figura 1, essa tipologia torna muito mais flexível a arquitetura da instalação em caso de aplicações residenciais.
Figura 1 – Visão Geral da Solução LUNA 2000
A seguir, vamos abordar durante o dimensionamento dois parâmetros muito importantes Potência e Energia. Se você leitor compreender bem o cálculo desses dois parâmetros, você vai desmistificar de uma vez por todas o receio e as dúvidas ao dimensionar quaisquer aplicação com armazenamento de energia em bateria.
DIMENSIONAMENTO DE POTÊNCIA E ENERGIA
Independente da aplicação, seja Off-Grid, Backup ou Híbrido, o dimensionamento parte do princípio de definir a Potência Elétrica [kVA] e a quantidade de Energia [kWh] necessária para atender ao perfil de carga e consumo do cliente.
Esse é o ponto mais crítico do dimensionamento de um sistema com baterias, porque diferentemente dos sistemas On-Grid, a potência do Inversor Solar não mais tem a ver apenas com os famosos fatores de carregamento dos Inversores (FDI ou FCI), mas sim com a simultaneidade em que as cargas elétricas serão ligadas, ou seja, a soma da potência de todos os equipamentos e eletrodomésticos ligados ao mesmo tempo na saída do Inversor.
Neste momento em que apenas o sistema de armazenamento de energia será a fonte de Potência e Energia para as cargas, é imprescindível que os cálculos e primícias adotadas para o dimensionamento fiquem bem claros, tanto para o projetista como principalmente para o cliente, que vai precisar tomar os devidos cuidados de respeitar a periodicidade e tempo de uso das cargas elétricas informadas e coletadas para o projeto.
Dito isso, chegamos à definição de dois critérios, Primeiro, a Potência Elétrica [kVA] total de todas as Cargas, ou as que simultaneamente estiverem ligadas, vão definir a potência mínima do Inversor, pois sua potência somente será maior do que este limite inferior descrito, se for necessária mais potência para conectar o arranjo de Módulos Fotovoltaicos ao mesmo, e quando não houver algum arranjo, como no caso de soluções de armazenamento AC Acouple, a potência não será maior que este limite. E segundo, a soma total da Energia diária [kWh/dia] a ser consumida pelas cargas, vão definir a quantidade de Energia Útil e consequentemente o tamanho, autonomia e o arranjo do seu conjunto de baterias.
Algo importante de ser ressaltado é que o projetista precisa escolher, se vai considerar a Potência do Inversor como sendo a soma de todas as cargas listadas em seu levantamento de cargas, ou se ele vai aplicar algum fator de simultaneidade. Essa decisão será pautada no bom senso do projetista e acordada com o cliente.
Na prática essa decisão é muito difícil, pois temos perfis distintos de cliente, e me arrisco em dizer que, em sua maioria, temos clientes pouco ou nada comunicativos, que não vão dar as informações detalhadas da forma que precisamos. Mas fiquem calmos, essa é a difícil missão deste artigo! Compartilhar alguns critérios que vão ajudar na sua decisão usando o bom senso. Recomendo que deixe bem às claras do seu cliente todos esses critérios, seja na etapa de orçamento ou contratual, para evitar desgaste futuros.
ESTUDO DE CASO
De modo, prático vamos usar duas formas de dimensionar a Potência [kVA] e a Energia [kWh/dia] para uma determinada residência em São Paulo capital. Na primeira, através de um Levantamento de Cargas, vamos calcular e dimensionar um sistema em regime de operação Off-Grid, e outro, para operação Backup. Na segunda, a partir da Fatura de Energia de um cliente, vamos calcular e dimensionar um sistema em regime de operação Híbrido, que precisa armazenar a parcela de energia que seria injetada na rede para fugir da “taxação da energia”, transferindo o consumo para momentos de geração inferior a carga e no consumo noturno, diretamente da bateria para as cargas em paralelo com a rede.
Dimensionamento Operação Off-Grid
A seguir, apresento na Tabela 1 de Levantamento de Cargas o resultado e o memorial de cálculo dos parâmetros de Potência Aparente Total [kVA] e Energia Útil [kWh/dia], de acordo com as informações obtidas na visita técnica com o cliente.
Tabela 1 – Levantamento de Cargas
De acordo com o levantamento de dados realizado, podemos definir agora qual será a Potência do Inversor, a quantidade de Energia do Conjunto de Baterias e o Arranjo Fotovoltaico necessários para suprir o perfil de carga e consumo do cliente de acordo com regime de operação.
De acordo com a TABELA 1, a potência mínima do Inversor para atender a curva de carga com 100% de simultaneidade é de 5,10 kVA. Avaliando as informações da Tabela 1, o projetista poderia optar por um fator de simultaneidade menor para definir a potência do Inversor, algo entre 60 e 75 % do valor total da coluna I, mas para isso tanto o projetista como o cliente precisariam estar cientes que em hipótese alguma poderiam ligar todas as cargas ao mesmo tempo.
Mas por bom senso, neste caso faz sentido considerar um fator de simultaneidade de 100%, e manter a Potência Mínima do Inversor em 5,10 kVA, pois a redução de custo não seria significativa e a previsão de consumo de energia é bastante alta, o que deve resultar em um Arranjo Fotovoltaico com potência elevada para garantir o suprimento desse volume de energia, e necessitará de mais potência para conversão.
As baterias de Lítio em geral apresentam sua capacidade de armazenamento de energia com DoD de 100%. A depender do fabricante, recomenda-se que seja considerado apenas 90% como profundidade de descarga da bateria. Além disso, deve ser considerada uma eficiência de carregamento e descarregamento da bateria de 95%.
Sendo assim, o tamanho do Banco de baterias para o nosso estudo deve respeitar a seguinte equação:
Equação 1 – Cálculo da Capacidade do Banco de Bateria com DoD 100%
Definido os critérios de Potência e Energia para o sistema, que definiram a potência do Inversor e capacidade do Banco de Baterias, agora podemos dimensionar o Arranjo Fotovoltaico com capacidade suficiente de atender a Energia Útil do sistema. Para esse cálculo, deve-se levar em consideração a base de Irradiação diária [kWh/m²*dia] menor registrada ao longo do ano, nas condições de instalação dos Módulos, tais como local, orientação e inclinação.
No nosso estudo de caso, na cidade de São Paulo, o menor valor de Irradiação diária em um plano inclinado de 21° Norte é de 4,01 [kWh/m².dia]. (CRECESB)
Figura 2 – Dados de Irradiação no Plano Inclinado do Módulo obtido no CRECESB em Out/22 para a cidade de São Paulo/SP
Considerando um Performance Ratio de 75%, temos um HSP = 3,01 [kWh/kWp.dia]. Para definir o Arranjo Fotovoltaico do sistema, basta dividir o resultado da equação 1 pelo o HSP, conforme apresentado na Equação 2.
Equação 2 – Cálculo do Arranjo Fotovoltaico
A Equação 2 garante que o sistema tenha a capacidade de suprimir a demanda de carga e perfil de consumo do cliente, mesmo nos períodos de menor irradiação do ano, levando-se em conta a eficiência e o DoD do Banco de Baterias dimensionado.
O resultado do dimensionamento é apresentado na Figura 3.
Figura 3 – Resultado Dimensionamento Sistema Off-Grid
Dimensionamento Operação Backup
A operação Backup tem como objetivo garantir o fornecimento de energia a cargas essenciais, durante um período pré-determinado para o conforto e segurança financeira do cliente, seja em uma residência, comércio ou escritório.
Através de um Banco de Baterias, que por sua vez pode ser carregado por um Sistema Solar, ou operar de forma similar a um nobreak, carregando com energia proveniente da rede, a bateria será descarregada somente quando a rede estiver em falta, garantindo o suprimento de energia, ao mesmo tempo que está desconectada da rede através do Backup Box.
A seguir, para nosso estudo de caso é apresentado na Tabela 2 uma lista de equipamentos listados como essenciais, para suprimento durante uma falta de rede durante um tempo desejado. Além disso, com a presença da rede o sistema também vai fornecer energia suficiente para abater o consumo médio de 167,8 kWh/mês com um Arranjo Fotovoltaico de 1,82 kWp.
Tabela 2 – Levantamento de Cargas Backup
Semelhante ao cálculo da operação Off-Grid, a potência mínima do Inversor vai ser o resultado do somatório da coluna I, da Tabela 2, o valor mínimo de 3,55 kVA.
O cálculo do Banco de Baterias é obtido pela Equação 1, e o resultado da equação preenchida é apresentado a seguir.
Conforme mencionado, no caso do modo de operação Backup o sistema pode ser instalado sem a necessidade de um Arranjo Fotovoltaico conectado, podendo assim ser carregado diretamente pela rede. Quando dimensionado para ser carregado por um Arranjo Fotovoltaico, a potência mínima necessária também será calculada conforme Equação 2, e se o resultado da equação for inferior a potência já definida para atender ao consumo médio de energia no modo de operação conectado a rede, não é necessário incrementar mais potência no Arranjo Fotovoltaico além da que já foi dimensionada.
O resultado da equação preenchida e a comparação para esse caso é apresentado a seguir.
Portanto, a potência do Arranjo Fotovoltaico definido para o consumo médio de energia de 1,82 kWp já é suficiente para o carregamento do banco de bateria de backup.
O resultado do dimensionamento é apresentado na Figura 4.
Figura 4 – Resultado Dimensionamento Sistema Backup
Dimensionamento Operação Híbrida
Uma vez que a rede vai começar a “taxar” parcialmente ou total a energia injetada, a solução LUNA 2000 se torna imprescindível, pois permite monitorar o consumo de energia do cliente, e por meio desta informação é possível ao longo da vida do sistema, ajustar de forma modular a sua capacidade de armazenamento de energia para mitigar ao máximo a injeção de energia na rede.
Cada Inversor Huawei Monofásico Residencial permite o acoplamento de até dois conjuntos de 3 baterias de 5kWh, totalizando 30 kWh de energia por conjunto. A operação hibrida permite configurar o sistema para trabalhar no Modo Autoconsumo, onde é mitigado ao máximo o consumo e a injeção de energia na rede, e isso somente vai acontecer quando não for possível suprir em 100% as cargas pelos Módulos Fotovoltaicos e ou pelo Banco de Baterias.
Figura 5 – Exemplo Modo Autoconsumo
Outro modo de operação que o sistema Híbrido da Huawei possui é o Modo de Tempo de Uso, que permite definir horários para carregar e descarregar o banco de bateria. Essa aplicação é valida quando a unidade consumidora possui tarifa horaria, como é o caso da Tarifa Branca. Dessa maneira, a bateria pode ser carregada em um horário que a energia é mais barata, e descarregada quando a energia for mais cara, proporcionado economia e maior capacidade de suprimento de energia a residência em diferentes horários.
Figura 6 – Exemplo Modo de Tempo de Uso
Em ambos os modos de operação na configuração híbrida, o dimensionamento do banco de baterias parte do princípio de definir qual é a quantidade de Energia útil que será armazenada em cada siclo de carregamento e descarregamento. Neste caso, como a existe a presença da rede em paralelo com o Inversor, a potência do Inversor será calculada em função do Fator de Carregamento definido pelo projetista, e não mais pela lista de cargas.
Se for instalada a Backup Box para prover o modo de operação Backup em conjunto com o modo de operação hibrida, se atentar a forma de definir a potência do Inversor conforme foi apresentado nos itens anteriores de dimensionamento deste artigo. Por este motivo é sempre recomendável instalar o máximo de potência de Inversor que for viável, para aumentar a capacidade de fornecimento de Potência e Energia no modo de operação Backup, possibilitando suprir uma maior quantidade de cargas essenciais.
No exemplo que estamos usando para o estudo de caso, foi definido um Arranjo Fotovoltaico de 1,82 kWp para abater o consumo médio de 167,8 kWh/mês na cidade de São Paulo. Sendo assim, pode-se assumir que ao menos 70% da energia gerada durante o dia seria injetada na rede, pois a experiência nos mostra que o fator de simultaneidade entre geração e autoconsumo de uma residência é de 30 á 40%, e portanto para sermos conservadores, assumiremos que 70% será injetado.
Se o consumo médio mensal é de 167,8 kWh, em média o consumo diário será de 5,52 kWh, e sem a presença de um Banco de Baterias, aproximadamente 3,86 kWh gerados pelo sistema Fotovoltaico, seriam injetados a rede. Sendo assim, os 3,86 kWh que equivalem a 70% da geração média diária do sistema, podem ser assumidos como a Energia Útil do Banco de Bateria, e aplicadando a Equação 1, podemos dimensionar a capacidade do banco de baterias necessário para armazenar esse montante energia a cada siclo de uso.
O resultado do dimensionamento é apresentado na Figura 7.
Figura 7 – Resultado Dimensionamento Operação Híbrida
Conclusão
Espero que este artigo contribua de forma efetiva, e atinja o objetivo de apresentar critérios e parâmetros importantes para o devido dimensionamento de sistemas com bateria de forma prática e fácil de entender. Coloco-me a inteira disposição para eventuais esclarecimentos ao leitor em minha rede social profissional https://www.linkedin.com/in/rodolfo-henrique-l-silva-4a77bb49.
Escrito por Rodolfo Henrique L. Silva – Head de Engenharia, Produtos e Suporte Técnico da GEL Solar S.A.
