Guia de Sistemas de Energia de Reserva Residenciais 2022 | Tipos, Custos, Benefícios...

Mesmo em 2022, o armazenamento de energia fotovoltaica continuará sendo o assunto mais comentado, e o fornecimento de energia de reserva para residências é o segmento de crescimento mais rápido da energia solar, criando novos mercados e oportunidades de expansão para adaptações solares em residências e empresas de todos os portes ao redor do mundo.Reserva de bateria residencialÉ fundamental para qualquer residência com energia solar, especialmente em caso de tempestade ou outra emergência. Em vez de exportar o excesso de energia solar para a rede elétrica, que tal armazená-la em baterias para emergências? Mas como a energia solar armazenada pode ser lucrativa? Vamos informar você sobre o custo e a rentabilidade de um sistema de armazenamento de energia em baterias para residências e destacar os principais pontos que você deve considerar ao comprar o sistema de armazenamento ideal. O que é um sistema de armazenamento de energia residencial? Como funciona? Um sistema residencial de armazenamento de energia em baterias ou um sistema fotovoltaico é um complemento útil para o sistema fotovoltaico, permitindo aproveitar os benefícios da energia solar e desempenhando um papel cada vez mais importante na aceleração da substituição de combustíveis fósseis por energia renovável. A bateria residencial armazena a eletricidade gerada pela energia solar e a libera para o usuário no momento necessário. A energia de reserva gerada por baterias é uma alternativa ecológica e econômica aos geradores a gás. Quem utiliza um sistema fotovoltaico para produzir eletricidade para si próprio rapidamente atingirá os seus limites. Ao meio-dia, o sistema fornece energia solar em abundância, mas nesse horário não há ninguém em casa para a utilizar. À noite, por outro lado, é necessária muita eletricidade – mas aí o sol já não brilha. Para compensar esta lacuna na oferta, é preciso comprar eletricidade da concessionária, que é significativamente mais cara. Nessa situação, um sistema de baterias de reserva residencial é praticamente indispensável. Isso significa que a eletricidade não utilizada durante o dia fica disponível à noite. A eletricidade autogerada fica, portanto, disponível 24 horas por dia, independentemente das condições climáticas. Dessa forma, o aproveitamento da energia solar autoproduzida aumenta para até 80%. O grau de autossuficiência, ou seja, a proporção do consumo de eletricidade suprida pelo sistema solar, aumenta para até 60%. Um sistema de armazenamento de energia residencial é muito menor que uma geladeira e pode ser instalado na parede da lavanderia. Os sistemas de armazenamento modernos contêm muita inteligência, utilizando previsões meteorológicas e algoritmos de autoaprendizagem para otimizar o consumo da residência e alcançar a máxima autossuficiência energética. Conquistar a independência energética nunca foi tão fácil – mesmo que a casa permaneça conectada à rede elétrica. Vale a pena investir em um sistema de armazenamento de energia para residências? Quais são os fatores que influenciam essa decisão? O armazenamento de energia em baterias residenciais é essencial para que uma casa com energia solar continue funcionando durante apagões na rede elétrica e também à noite. Além disso, as baterias solares melhoram a viabilidade econômica do sistema, armazenando a energia solar que, de outra forma, seria vendida de volta à rede com prejuízo, para ser reutilizada justamente quando a energia é mais cara. O armazenamento em baterias residenciais protege o proprietário do sistema solar contra falhas na rede e resguarda a viabilidade econômica do sistema contra flutuações nos preços da energia. Se vale a pena ou não investir nisso depende de vários fatores: Nível dos custos de investimento. Quanto menor o custo por quilowatt-hora de capacidade, mais rápido o sistema de armazenamento se pagará. Tempo de vida dobateria solar residencial Uma garantia de fábrica de 10 anos é comum no setor. No entanto, presume-se uma vida útil mais longa. A maioria das baterias solares residenciais com tecnologia de íon-lítio funciona de forma confiável por pelo menos 20 anos. Percentagem da eletricidade autoconsumida Quanto mais o armazenamento de energia solar aumentar o autoconsumo, maior a probabilidade de valer a pena. Custo da eletricidade comprada da rede Quando os preços da eletricidade estão altos, os proprietários de sistemas fotovoltaicos economizam consumindo a eletricidade autogerada. Nos próximos anos, espera-se que os preços da eletricidade continuem a subir, por isso muitos consideram as baterias solares um investimento inteligente. Tarifas para sistemas conectados à rede Quanto menos os proprietários de sistemas solares recebem por quilowatt-hora, mais vantajoso é para eles armazenar a eletricidade em vez de injetá-la na rede. Nos últimos 20 anos, as tarifas para sistemas conectados à rede têm diminuído constantemente e continuarão a cair. Quais os tipos de sistemas de armazenamento de energia residencial disponíveis?? Os sistemas de baterias de reserva para residências oferecem inúmeros benefícios, incluindo resiliência, economia de custos e produção descentralizada de eletricidade (também conhecida como "sistemas de energia distribuída residencial"). Quais são, então, as categorias de baterias solares residenciais? Como escolher? Classificação funcional por função de backup: 1. Fonte de alimentação ininterrupta (UPS) para uso doméstico Este é um serviço de nível industrial para fornecimento de energia de reserva, geralmente exigido por hospitais, salas de dados, órgãos governamentais ou forças armadas para o funcionamento contínuo de seus equipamentos essenciais e sensíveis. Com um sistema de alimentação ininterrupta (UPS) residencial, as luzes da sua casa podem nem sequer piscar se a rede elétrica falhar. A maioria das residências não precisa ou não quer pagar por esse nível de confiabilidade, a menos que possuam equipamentos médicos críticos em funcionamento. 2. Sistema de alimentação ininterrupta (backup para toda a casa). O próximo nível abaixo de um UPS é o que chamaremos de "fonte de alimentação ininterrupta" ou IPS. Um IPS permitirá que toda a sua casa continue funcionando com energia solar e baterias caso a rede elétrica falhe, mas você certamente experimentará um breve período (alguns segundos) em que tudo ficará escuro ou com a tela cinza enquanto o sistema de backup entra em ação. Talvez seja necessário reconfigurar seus relógios eletrônicos, mas, fora isso, você poderá usar todos os seus eletrodomésticos normalmente enquanto as baterias durarem. 3. Fonte de alimentação para situações de emergência (reserva parcial). Algumas funcionalidades de energia de reserva funcionam ativando um circuito de emergência quando detectam uma queda na rede elétrica. Isso permite que os aparelhos elétricos da casa conectados a esse circuito — geralmente geladeiras, luzes e algumas tomadas dedicadas — continuem funcionando com as baterias e/ou painéis fotovoltaicos durante o período de apagão. Esse tipo de sistema de reserva provavelmente será uma das opções mais populares, acessíveis e econômicas para residências em todo o mundo, já que alimentar uma casa inteira com um banco de baterias as esgotaria rapidamente. 4. Sistema parcial de energia solar e armazenamento fora da rede. Uma opção final que pode ser interessante é um "sistema parcialmente autossuficiente". Com um sistema parcialmente autossuficiente, o conceito é criar uma área dedicada na casa que opere continuamente com um sistema de energia solar e baterias grande o suficiente para se manter sem consumir energia da rede elétrica. Dessa forma, os equipamentos essenciais da família (geladeiras, luzes, etc.) permanecem funcionando mesmo se a rede elétrica falhar, sem qualquer interrupção. Além disso, como o sistema de energia solar e as baterias são dimensionados para funcionar indefinidamente sem a rede elétrica, não haveria necessidade de alocar o consumo de energia, a menos que aparelhos extras fossem conectados ao circuito autossuficiente. Classificação da tecnologia de química de baterias: Baterias de chumbo-ácido como sistema de reserva residencial Baterias de chumbo-ácidoSão as baterias recarregáveis ​​mais antigas e de menor custo disponíveis no mercado para armazenamento de energia. Surgiram no início do século passado, na década de 1900, e até hoje continuam sendo as baterias preferidas em muitas aplicações devido à sua robustez e baixo custo. Suas principais desvantagens são a baixa densidade de energia (são pesadas e volumosas) e a curta vida útil, não suportando um grande número de ciclos de carga e descarga. As baterias de chumbo-ácido exigem manutenção regular para equilibrar a composição química, portanto, suas características as tornam inadequadas para descargas de média a alta frequência ou para aplicações com duração de 10 anos ou mais. Elas também apresentam a desvantagem de uma baixa profundidade de descarga, que normalmente é limitada a 80% em casos extremos ou a 20% em operação normal, para maior vida útil. A descarga excessiva degrada os eletrodos da bateria, o que reduz sua capacidade de armazenar energia e limita sua vida útil. As baterias de chumbo-ácido requerem manutenção constante do seu estado de carga e devem sempre ser armazenadas no seu estado de carga máximo através da técnica de flutuação (manutenção da carga com uma pequena corrente elétrica, suficiente para anular o efeito de autodescarga). Essas baterias podem ser encontradas em diversas versões. As mais comuns são as baterias ventiladas, que utilizam eletrólito líquido, as baterias de gel reguladas por válvula (VRLA) e as baterias com eletrólito incorporado em manta de fibra de vidro (conhecidas como AGM – Absorbent Glass Mat), que possuem desempenho intermediário e custo reduzido em comparação com as baterias de gel. As baterias reguladas por válvula são praticamente seladas, o que impede vazamentos e o ressecamento do eletrólito. A válvula atua na liberação de gases em situações de sobrecarga. Algumas baterias de chumbo-ácido são desenvolvidas para aplicações industriais estacionárias e podem suportar ciclos de descarga mais profundos. Existe também uma versão mais moderna, a bateria de chumbo-carbono. Materiais à base de carbono adicionados aos eletrodos proporcionam correntes de carga e descarga mais elevadas, maior densidade de energia e vida útil mais longa. Uma das vantagens das baterias de chumbo-ácido (em qualquer uma de suas variações) é que elas não precisam de um sistema sofisticado de gerenciamento de carga (como é o caso das baterias de lítio, que veremos a seguir). As baterias de chumbo têm muito menos probabilidade de pegar fogo e explodir quando sobrecarregadas, porque seu eletrólito não é inflamável como o das baterias de lítio. Além disso, uma ligeira sobrecarga não é perigosa nesses tipos de baterias. Alguns controladores de carga inclusive possuem uma função de equalização que sobrecarrega ligeiramente a bateria ou o banco de baterias, fazendo com que todas as baterias atinjam o estado de carga completa. Durante o processo de equalização, as baterias que eventualmente atingirem a carga completa antes das outras terão sua voltagem ligeiramente aumentada, sem risco, enquanto a corrente flui normalmente pela associação em série dos elementos. Dessa forma, podemos dizer que as baterias de chumbo-ácido têm a capacidade de se equalizar naturalmente e pequenos desequilíbrios entre as baterias de um mesmo conjunto ou entre as baterias de um banco não representam risco. Desempenho:A eficiência das baterias de chumbo-ácido é muito menor do que a das baterias de lítio. Embora a eficiência dependa da taxa de carga, geralmente assume-se uma eficiência de ida e volta de 85%. Capacidade de armazenamento:As baterias de chumbo-ácido estão disponíveis em diversas voltagens e tamanhos, mas pesam de 2 a 3 vezes mais por kWh do que as de fosfato de ferro-lítio, dependendo da qualidade da bateria. Custo da bateria:As baterias de chumbo-ácido são 75% mais baratas que as de fosfato de ferro-lítio, mas não se deixe enganar pelo preço baixo. Essas baterias não podem ser carregadas ou descarregadas rapidamente, têm uma vida útil muito mais curta, não possuem um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) e podem exigir manutenção semanal. Isso resulta em um custo por ciclo geral mais alto do que o razoável para reduzir o consumo de energia ou alimentar aparelhos de alta potência. Baterias de lítio como sistema de reserva residencial Atualmente, as baterias de maior sucesso comercial são as de íon-lítio. Após a aplicação da tecnologia de íon-lítio em dispositivos eletrônicos portáteis, ela expandiu-se para aplicações industriais, sistemas de energia, armazenamento de energia fotovoltaica e veículos elétricos. Baterias de íon-lítioElas superam muitos outros tipos de baterias recarregáveis ​​em diversos aspectos, incluindo capacidade de armazenamento de energia, número de ciclos de trabalho, velocidade de carregamento e custo-benefício. Atualmente, a única questão é a segurança, pois os eletrólitos inflamáveis ​​podem pegar fogo em altas temperaturas, o que exige o uso de sistemas eletrônicos de controle e monitoramento. O lítio é o mais leve de todos os metais, possui o maior potencial eletroquímico e oferece densidades de energia volumétrica e de massa superiores às de outras tecnologias de baterias conhecidas. A tecnologia de íon-lítio possibilitou impulsionar o uso de sistemas de armazenamento de energia, principalmente associados a fontes de energia renováveis ​​intermitentes (solar e eólica), e também impulsionou a adoção de veículos elétricos. As baterias de íon-lítio utilizadas em sistemas de energia e veículos elétricos são do tipo líquido. Essas baterias utilizam a estrutura tradicional de uma bateria eletroquímica, com dois eletrodos imersos em uma solução eletrolítica líquida. Separadores (materiais isolantes porosos) são usados ​​para separar mecanicamente os eletrodos, permitindo ao mesmo tempo o livre movimento dos íons através do eletrólito líquido. A principal característica de um eletrólito é permitir a condução de corrente iônica (formada por íons, que são átomos com excesso ou falta de elétrons), ao mesmo tempo que impede a passagem de elétrons (como ocorre em materiais condutores). A troca de íons entre os eletrodos positivo e negativo é a base do funcionamento das baterias eletroquímicas. A pesquisa sobre baterias de lítio remonta à década de 1970, e a tecnologia amadureceu e começou a ser usada comercialmente por volta da década de 1990. As baterias de polímero de lítio (com eletrólitos poliméricos) são agora utilizadas em celulares, computadores e diversos dispositivos móveis, substituindo as antigas baterias de níquel-cádmio, cujo principal problema era o "efeito memória", que reduzia gradualmente a capacidade de armazenamento quando a bateria era carregada antes de estar completamente descarregada. Em comparação com as baterias de níquel-cádmio mais antigas, especialmente as baterias de chumbo-ácido, as baterias de íon-lítio têm uma densidade de energia maior (armazena mais energia por volume), um coeficiente de autodescarga menor e suportam um maior número de ciclos de carga e descarga, o que significa uma vida útil mais longa. Por volta do início dos anos 2000, as baterias de lítio começaram a ser usadas na indústria automotiva. Por volta de 2010, as baterias de íon-lítio despertaram interesse no armazenamento de energia elétrica em aplicações residenciais esistemas ESS (Sistema de Armazenamento de Energia) de grande escala, principalmente devido ao aumento do uso de fontes de energia em todo o mundo. Energia renovável intermitente (solar e eólica). As baterias de íon-lítio podem apresentar diferentes desempenhos, vidas úteis e custos, dependendo de como são fabricadas. Diversos materiais têm sido propostos, principalmente para os eletrodos. Normalmente, uma bateria de lítio consiste em um eletrodo metálico à base de lítio que forma o terminal positivo da bateria e um eletrodo de carbono (grafite) que forma o terminal negativo. Dependendo da tecnologia utilizada, os eletrodos à base de lítio podem ter estruturas diferentes. Os materiais mais comumente usados ​​na fabricação de baterias de lítio e as principais características dessas baterias são os seguintes: Óxidos de lítio e cobalto (LCO):Alto nível de energia específica (Wh/kg), boa capacidade de armazenamento e vida útil satisfatória (número de ciclos), adequado para dispositivos eletrônicos; a desvantagem é a baixa potência específica (W/kg), o que reduz a velocidade de carga e descarga; Óxidos de lítio e manganês (LMO):Permitem altas correntes de carga e descarga com baixa energia específica (Wh/kg), o que reduz a capacidade de armazenamento; Lítio, níquel, manganês e cobalto (NMC):Combina as propriedades das baterias LCO e LMO. Além disso, a presença de níquel na composição ajuda a aumentar a energia específica, proporcionando maior capacidade de armazenamento. Níquel, manganês e cobalto podem ser usados ​​em proporções variáveis ​​(para favorecer um ou outro), dependendo do tipo de aplicação. No geral, o resultado dessa combinação é uma bateria com bom desempenho, boa capacidade de armazenamento, longa vida útil e baixo custo. Lítio, níquel, manganês e cobalto (NMC):Combina características das baterias LCO e LMO. Além disso, a presença de níquel na composição ajuda a aumentar a energia específica, proporcionando maior capacidade de armazenamento. Níquel, manganês e cobalto podem ser usados ​​em diferentes proporções, de acordo com o tipo de aplicação (para favorecer uma característica em detrimento de outra). Em geral, o resultado dessa combinação é uma bateria com bom desempenho, boa capacidade de armazenamento, longa vida útil e custo moderado. Esse tipo de bateria tem sido amplamente utilizado em veículos elétricos e também é adequado para sistemas estacionários de armazenamento de energia. Fosfato de ferro-lítio (LFP):A combinação LFP proporciona às baterias um bom desempenho dinâmico (velocidade de carga e descarga), vida útil prolongada e maior segurança devido à sua boa estabilidade térmica. A ausência de níquel e cobalto em sua composição reduz o custo e aumenta a disponibilidade dessas baterias para produção em massa. Embora sua capacidade de armazenamento não seja a mais alta, ela tem sido adotada por fabricantes de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia devido às suas muitas características vantajosas, especialmente o baixo custo e a boa robustez. Lítio e Titânio (LTO):O nome se refere a baterias que possuem titânio e lítio em um dos eletrodos, substituindo o carbono, enquanto o segundo eletrodo é o mesmo utilizado em outros tipos de baterias (como NMC – lítio, manganês e cobalto). Apesar da baixa energia específica (que se traduz em menor capacidade de armazenamento), essa combinação apresenta bom desempenho dinâmico, alta segurança e vida útil consideravelmente maior. Baterias desse tipo podem suportar mais de 10.000 ciclos de operação com 100% de profundidade de descarga, enquanto outros tipos de baterias de lítio suportam cerca de 2.000 ciclos. As baterias LiFePO4 superam as baterias de chumbo-ácido com altíssima estabilidade de ciclo, densidade de energia máxima e peso mínimo. Se a bateria for descarregada regularmente a partir de 50% de profundidade de descarga (DOD) e, em seguida, totalmente carregada, a bateria LiFePO4 pode suportar até 6.500 ciclos de carga. Portanto, o investimento extra compensa a longo prazo, e a relação custo-benefício permanece imbatível. Elas são a escolha preferida para uso contínuo como baterias solares. Desempenho:O carregamento e a descarga da bateria apresentam uma eficiência total de ciclo de 98%, sendo que o carregamento e a descarga são rápidos, ocorrendo em menos de 2 horas – e ainda mais rápidos, o que reduz a vida útil do produto. Capacidade de armazenamentoUma bateria de fosfato de ferro-lítio pode ter mais de 18 kWh, ocupando menos espaço e pesando menos do que uma bateria de chumbo-ácido com a mesma capacidade. Custo da bateriaAs baterias de fosfato de ferro-lítio tendem a ser mais caras do que as baterias de chumbo-ácido, mas geralmente têm um custo por ciclo menor devido à sua maior durabilidade.