Sistemas de Armazenamento de Energia em Bateria (BESS): Como funcionam, principais componentes, benefícios e tendências futuras

Nos últimos 20 anos, a tecnologia BESS avançou significativamente em termos de capacidade de armazenamento, química da bateria e integração do sistema (Li et al., 2018; Shen & Khaligh, 2015). Mas como exatamente esses sistemas funcionam e por que são cruciais para o futuro da energia?

Este artigo fornece um relato detalhado dos sistemas de armazenamento de baterias, incluindo como eles operam, seus principais componentes, as vantagens financeiras e operacionais que eles oferecem e as tendências que definir o futuro do armazenamento de energia. Ele fornece informações úteis sobre como as baterias operam e seu lugar no cenário energético atual.

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Como funcionam os Sistemas de Armazenamento de Energia em Bateria

Os sistemas de armazenamento de bateria operam usando princípios eletroquímicos, especificamente, reações de oxidação e redução nas células da bateria. Durante o carregamento, a energia elétrica é convertida em energia química e armazenada na bateria. Quando a energia é necessária, o sistema descarrega, convertendo a energia química de volta em eletricidade para uso da rede ou consumo direto (Li et al., 2022;, Park et al., 2022).

Uma das principais vantagens das baterias é seu rápido tempo de resposta: elas podem carregar e descarregar quase instantaneamente. Isso os torna ideais para serviços de rede, como regulação de frequência, redução de pico e balanceamento de carga. Essas capacidades são especialmente valiosas em sistemas de energia com altos níveis de fontes variáveis de energia renovável (VRES), como energia eólica e solar, que são inerentemente intermitentes (Lei & Gong, 2017;, Kurtoğlu & Eroğlu, 2024).

Eles vêm em diferentes configurações adaptadas às necessidades específicas de energia e potência. Seus designs modulares e flexíveis permitem que sejam implantados em vários ambientes, incluindo projetos residenciais, comerciais, em escala de serviços públicos e microrredes.

Principais componentes do BESS

Entender como o BESS funciona requer uma análise de seus principais componentes:

1. Células de bateria

As células da bateria são o núcleo de qualquer sistema de armazenamento, onde ocorre a conversão real de energia. As baterias de íon-lítio são as mais comuns devido à sua alta densidade e eficiência de energia. No entanto, outros produtos químicos, como chumbo-ácido, sódio-enxofre e baterias de fluxo, oferecem benefícios em aplicações que exigem longa vida útil ou alta tolerância térmica (Chen et al., 2023;, Zhang et al., 2016).

2. Sistema de gerenciamento de bateria (BMS)

O BMS monitora e controla o desempenho da bateria, garantindo uma operação segura rastreando variáveis como tensão, temperatura, corrente e estado de carga (SoC). As plataformas BMS avançadas usam algoritmos preditivos para prolongar a vida útil da bateria e otimizar o desempenho.

3. Sistema de condicionamento de energia (PCS)

O PCS gerencia a interface elétrica entre a bateria e a rede elétrica. Ele converte a corrente contínua (CC) produzida pelas baterias em corrente alternada (CA), permite o fluxo bidirecional de energia e garante a conformidade com as especificações da rede.

4. Inversores

Os inversores convertem a energia CC armazenada nas baterias em energia CA compatível com a rede. Eles regulam a saída, mantêm os limites de segurança e garantem que o sistema esteja em conformidade com os padrões da rede.

5. Sistemas de refrigeração

O gerenciamento térmico é essencial para evitar o superaquecimento, o que pode degradar o desempenho e a segurança. Os sistemas de resfriamento ajudam a manter as temperaturas ideais, melhorando a confiabilidade e prolongando a vida útil dos componentes da bateria.

6. Interfaces de comunicação

As baterias modernas apresentam sistemas de comunicação que interagem com os operadores da rede, permitindo monitoramento em tempo real e controle remoto. Essas interfaces suportam vários protocolos para garantir compatibilidade e coordenação em todo o sistema (Chen & Wang, 2024).

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Benefícios financeiros dos sistemas de armazenamento de energia por bateria

À medida que os custos das baterias diminuem e a resiliência energética se torna uma prioridade maior, os sistemas de baterias são cada vez mais atraentes por suas vantagens econômicas (Li et al., 2021):

1. Custos reduzidos por meio do Demand Response

As baterias permitem a mudança estratégica da carga de energia, permitindo a participação em programas de resposta à demanda. As empresas podem reduzir as contas de energia evitando os picos de preços.

2. Novos fluxos de receita

Essa tecnologia pode gerar receita participando de serviços auxiliares e arbitragem de energia — comprando energia quando os preços estão baixos e vendendo-a durante o pico de demanda.

3. Economia de custos de infraestrutura

Ao aliviar o congestionamento da rede e atrasar a necessidade de uma nova infraestrutura, os sistemas de armazenamento em baterias ajudam as concessionárias a gerenciar as crescentes demandas de energia de forma mais econômica.

4. Energia de backup confiável

As baterias fornecem energia de reserva confiável durante interrupções. Para muitas organizações, operações ininterruptas justificam o investimento em armazenamento de energia.

5. Integração aprimorada de energia renovável

As baterias melhoram a confiabilidade dos projetos solares e eólicos gerenciando sua variabilidade, aumentando a viabilidade do projeto e acelerando a adoção de energias renováveis.

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Benefícios operacionais do BESS

Além do valor financeiro, os sistemas de armazenamento em bateria oferecem várias vantagens operacionais importantes:

1. Estabilidade de rede aprimorada

Ao equilibrar a oferta e a demanda, as baterias ajudam a evitar interrupções de tensão e frequência, fortalecendo a confiabilidade geral da rede.

2. Maior flexibilidade operacional

Sua capacidade de responder rapidamente às mudanças nas necessidades de energia oferece aos operadores do sistema mais controle e agilidade no gerenciamento de energia.

3. Menores emissões de carbono

Ao reduzir a dependência de usinas de pico baseadas em combustíveis fósseis, elas contribuem para sistemas de energia mais limpos e apoiam as metas climáticas.

4. Suporte de eletrificação

As baterias desempenham um papel fundamental na eletrificação do transporte e do aquecimento, ajudando as indústrias a se afastarem dos combustíveis fósseis.

5. Habilitação de microrredes

A natureza modular dos sistemas de baterias suporta a criação de microrredes autossustentáveis, particularmente valiosas em áreas remotas ou propensas a interrupções.

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Inovações em sistemas híbridos de armazenamento de energia

Uma tendência crescente de inovação são os Sistemas Híbridos de Armazenamento de Energia (HESS), que combinam baterias com tecnologias como supercapacitores. Enquanto as baterias armazenam grandes quantidades de energia por períodos mais longos, os supercapacitores se destacam em ciclos rápidos de carga/descarga. A combinação melhora o desempenho, a eficiência e a confiabilidade em todas as aplicações, especialmente em sistemas de energia solar e eólica (Ahmed G. Abo-Khalil et al., 2023).

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Tendências futuras no armazenamento de energia em baterias

O futuro do BESS está sendo moldado por várias tendências importantes:

1. Avanços tecnológicos

Tecnologias de última geração, como baterias de estado sólido, prometem maior segurança, maior densidade de energia e maior vida útil, reduzindo potencialmente os custos gerais do sistema.

2. Otimização orientada por IA

A inteligência artificial e o aprendizado de máquina estão sendo integrados aos sistemas de gerenciamento de energia para permitir monitoramento em tempo real, manutenção preditiva e desempenho ideal.

3. Sustentabilidade e reciclagem

Com o aumento do escrutínio sobre os impactos ambientais, o setor está se concentrando na reciclagem de baterias, aplicações de segunda vida e estratégias de economia circular.

4. Regulamentos de apoio

Governos em todo o mundo estão introduzindo incentivos, estruturas regulatórias mais claras e mecanismos de mercado que incentivam a adoção de baterias.

5. Crescimento em mercados emergentes

À medida que os sistemas de armazenamento de baterias se tornam mais acessíveis, as economias em desenvolvimento com desafios de acesso à energia apresentam oportunidades significativas para a implantação de sistemas de baterias.

6. Expansão do HESS

A adoção de sistemas híbridos provavelmente aumentará, fornecendo soluções flexíveis combinando os pontos fortes de diferentes tecnologias de armazenamento de energia.

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Vale ressaltar que, atualmente, Delfos Energy está expandindo suas capacidades com uma nova solução projetada especificamente para sistemas de armazenamento de energia em bateria (BESS). Com foco no suporte aos gestores de ativos nos setores eólico e solar, a plataforma permite análises avançadas para auditoria de desempenho e otimização operacional de ativos de armazenamento.

Conclusão

Os sistemas de armazenamento de energia em baterias apresentam uma abordagem atraente e dinâmica para gerenciar os recursos de energia de forma eficaz. Suas funções multifacetadas permitem notável flexibilidade, resiliência e sustentabilidade em diversas aplicações em todo o setor de energia. Com os avanços contínuos na tecnologia, a mudança do cenário financeiro em direção à integração de energia renovável e o maior reconhecimento da importância do armazenamento de energia, os sistemas de armazenamento de baterias estão ancorados como a base das estratégias futuras de energia.

À medida que os especialistas do setor de energia enfrentam as complexidades dos desafios de transição, compreender a natureza abrangente dos sistemas de armazenamento de baterias será fundamental para aproveitar todo o seu potencial no futuro cenário energético. As baterias não apenas incorporam a transição para o uso de energia mais limpa, mas também promovem a viabilidade econômica e operacional, crucial para um futuro de energia sustentável.

Em suma, a expansão dos sistemas de armazenamento em baterias não apenas marca um marco tecnológico no gerenciamento moderno de energia, mas serve como um prelúdio de um paradigma energético fundamentalmente diferente que valoriza a resiliência, a sustentabilidade e a viabilidade econômica. Essa transformação não é simplesmente uma evolução; é uma necessidade estrutural para se adaptar às mudanças nos contornos da dinâmica energética global.

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Bibliografia

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Park, J., Choi, J., Jo, H., Kodaira, D., Han, S., & Acquah, M. A. (2022). Life evaluation of battery energy system for frequency regulation using wear density function. Energies, 15(21), 8071. https://doi.org/10.3390/en15218071

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Kurtoğlu, M. and Eroğlu, F. (2024). Design and simulation of bidirectional dc-dc converter topology for battery applications. E3S Web of Conferences, 551, 03002. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202455103002

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Zhang, Y., Dong, Z. Y., Luo, F., Zheng, Y., Meng, K., & Wong, K. P. (2016). Optimal allocation of battery energy storage systems in distribution networks with high wind power penetration. IET Renewable Power Generation, 10(8), 1105-1113. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2015.0542

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Ahmed G. Abo-Khalil, Ahmed Sobhy, Mohammad Ali Abdelkareem, A.G. Olabi, Advancements and challenges in hybrid energy storage systems: Components, control strategies, and future directions, International Journal of Thermofluids, Volume 20, 2023, 100477, ISSN 2666-2027, https://doi.org/10.1016/j.ijft.2023.100477. 

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