Uma instalação industrial relativamente pequena possui maquinaria eletromecânica que executa determinadas funções que fazem parte do processo de fabrico. Uma oficina metalomecânica que produz armários, invólucros, caixas, para utilização no sector da construção e instalações electromecânicas, tem muitos motores que funcionam continuamente durante 12 horas por dia.
As pequenas instalações industriais têm normalmente um ramal de uma subestação zonal através de um transformador que alimenta vários utilizadores de uma zona. Estes transformadores utilizam ligações subterrâneas para distribuir a alimentação eléctrica a cada utilizador.
A alimentação eléctrica no PMI (ponto de medição exterior) é normalmente limitada, devendo-se estas restrições, entre outras, a razões técnicas:
- Capacidade de transporte de energia eléctrica do cabo condutor
- Capacidade das condutas subterrâneas
- Capacidade de potência do transformador de distribuição
- Capacidade de projeto da subestação de distribuição
Assim, as limitações das instalações eléctricas para o local industrial são de 50KW de potência, em baixa tensão trifásica. A pequena oficina industrial possui máquinas e equipamentos, incluindo sistemas de iluminação e serviços auxiliares para 40kW, cujo funcionamento por dia é de 10 horas.
Aumento dos encargos.
A oficina vai receber novos equipamentos (incluindo modernos motores AC Driver controlados eletronicamente e placas CNC automáticas) com uma necessidade energética diária estimada em 100KW-hr/dia, funcionando 4 horas por dia e com um fator de potência próximo da unidade, devido à utilização de AC Drivers. Estes equipamentos irão trabalhar em conjunto com as máquinas existentes para melhorar o processo atual. Funcionam a 380V (AC) trifásicos.
Então temos:
Potência (kW) = 100kW-Hr / 4 Hr = 25kW de nova capacidade a instalar (os efeitos da potência reactiva são negligenciados, devido à utilização de conversores CA que compensam o fator de potência para a unidade teórica).
O principal problema é a extensão da instalação eléctrica, que tecnicamente exige que a ligação seja ramificada a partir de outra subestação existente (a extensão da subestação de distribuição e do seu transformador pode ser muito dispendiosa se forem necessários apenas 25 kW de potência), esta alternativa pode demorar muito tempo e esta extensão pode mesmo ter de ser programada dentro do plano de crescimento da rede eléctrica da concessionária distribuidora e não demorará menos de 3 meses ou mais.
Para o pequeno industrial a instalação é muito crítica, pois tem um equipamento novo, cujo custo de financiamento já está a pagar, e esse equipamento ainda não está nos processos de produção.
A alternativa em sistemas de baterias.
Um dos factos na oficina é que só funcionam 10 horas por dia, pelo que têm 14 horas disponíveis em que não estão a utilizar a fonte de alimentação. A oficina poderia operar este novo equipamento num horário especial, mas isso não é possível porque a nova maquinaria funciona em conjunto com os processos diários estabelecidos.
Outra alternativa é a utilização de um grupo gerador elétrico, para fornecer os 25 kW necessários, mas isto representa um custo de instalações mecânicas, custos de funcionamento e aumento dos níveis de ruído e poluição na oficina.
E quanto à aplicação de tecnologias de armazenamento de energia limpa?
De facto, é possível dispor de um novo meio tecnológico passivo de armazenamento de energia, que pode utilizar o sistema elétrico existente e não requer grandes modificações nas instalações, apenas a adaptação à instalação do novo equipamento.
O sistema de banco de baterias de iões de lítio
A melhor alternativa para esta oficina é a utilização de um banco de baterias de iões de lítio para armazenamento de energia eléctrica (BESS = Battery Energy Storage Systems).
O sistema BESS é composto por:
- Agrupamento de células de iões de lítio (bateria)
- Controlador de gestão da bateria incorporado (BMS = Battery Management System)
- Carregador/inversor trifásico AC/DC/AC, com controlo do tempo de carga e limitador de descarga da bateria
- Quadro de transferência automática
A potência necessária para ser instalada é derivada da energia necessária para ser armazenada ao longo do tempo (t). Se considerarmos uma utilização diária, o nosso intervalo de tempo é de 24 horas por dia, em que assumimos que não há fenómenos de corte de energia (se a energia for cortada, toda a produção pára). A potência necessária (em quilowatts = kW) permite-nos conhecer os parâmetros eléctricos de base, como a tensão de funcionamento e a intensidade de corrente das novas instalações eléctricas.
? (??)= ?????í? ????? (??−??) / ?????? (??)
Para efeitos de cálculo das baterias de iões de lítio, necessitamos dos termos de energia da seguinte forma:
??????? (??−??)
=???????? ?????? (??)∗?????? ?? ??? (ℎ????)
+???? ?? ?é?????? ?? ?????í? ?? ???? ?? ?????????ó? ????? (??−??)
A soma das perdas (Σ (kw-Hr)) inclui:
- Perdas devidas aos processos de carga e descarga das células de iões de lítio
- Perdas de eficiência de cargas/inversor eletrónico
- Perdas nos cabos condutores da nova instalação eléctrica
De uma forma simples e reduzida (são cálculos teóricos) vamos assumir que a soma de todas as perdas (Σ (kw-Hr)) representa 10% do consumo, o que se traduz numa carga dos circuitos eléctricos em funcionamento (Potência):
Potência total (kW) = 25kW / (1-10%) = 27,77KW aproxima-se de 28kW.
As novas máquinas funcionam durante 4 horas por dia, ou seja, consomem a energia total (incluindo as perdas na nova instalação):
Energia total = 28kW * 4 horas = 112 kW-Hr
Agora que um sistema de baterias não pode ser descarregado até à sua capacidade máxima, normalmente o fabricante recomenda uma quantidade de energia que pode ser extraída das baterias, de modo a que as baterias possam ter uma vida útil estimada para substituição ao longo do tempo.
Um ciclo é composto por um período de carga e um período de descarga, se este processo for efectuado num ano (365 dias), então se o investidor da oficina considerar que o seu investimento tem uma vida útil de pelo menos 10 anos, então:
10 anos * 365 dias/ano * 1 ciclo/dia = 3650 ciclos de vida.
A temperatura de funcionamento a que o sistema BESS será submetido é de 30°C a 35°C (no interior das instalações da oficina industrial).
As curvas de descarga mostram que podemos operar até 4000 ciclos (mais de 10 anos de vida) descarregando a bateria de iões de lítio até 90% da sua capacidade diária, ou seja, a RESERVA é de 10% para proteger a bateria.
Isto significa que a quantidade de energia que temos de armazenar diariamente na primeira recarga das baterias é:
Energia inicial (kW-Hr) = Energia total (kW-Hr) / (1-Reserva%)
Energia inicial (kW-Hr) = 112kW-Hr / (1-10%) = 124,44 kW-Hr.
Este sistema BESS terá o seguinte aspeto:
O ciclo de carga pode ser efectuado durante a noite, quando não há grande atividade na oficina industrial, utilizando uma derivação do quadro elétrico principal para alimentar o carregador BESS durante um período de 4 a 5 horas e fornecer a energia necessária.
A corrente que fornecerão em 4 horas será o requisito das novas máquinas:
Potência Máquinas (kW) = 1,73* Tensão (V)* I (Amp) * cos F
25 kW = 1,73*380V* I (amp) * 1 (os aparelhos estão equipados com variadores de CA para um fator de potência de 1)
Então: I (Amp) = 25 kW / 657,40V = 38,02 Amp
Recordemos o que significam as perdas de 10%: Perda = 10% * I (Amp) = 3,802 Amps.
Então, a corrente total é de 41,822 Amps que serão retirados da bateria a cada hora.
Finalmente, a bateria de iões de lítio está agora configurada:
Carga:
Duração: 6 horas (a partir das 00.00 horas)
Descarregar:
Duração: 4 horas (durante o dia)
Inversor: 50 Amps a plena carga (trifásico sinusoidal)
Bateria: 4 x 32kW-hr células de lítio paralelas com controlo BMS
Conclusões.
Um sistema de armazenamento de energia com baterias de iões de lítio tem uma série de vantagens
como:
- Pequena área de implantação (custo - o espaço físico é muito rentável)
- Sem ruído (apenas do ventilador-extrator do conversor/carregador/inversor).
- Longa vida útil de mais de 10 anos
- Capacidade de ser transportável e móvel. Pode ser colocado em qualquer sítio da oficina ou da fábrica.
- Capacidade de trabalhar a temperaturas industriais
- Não é necessária nenhuma manutenção importante, mas sim uma limpeza e um controlo anual do seu funcionamento
- Módulos de iões de lítio intercambiáveis (modulares)
- Pode ser ligado a outra fonte de produção de energia como complemento
- Capacidade de monitorização em linha
- Sem combustível fóssil, sem necessidade de serviços de manutenção eletromecânica
- Retorno do investimento a longo prazo
- A propriedade pertence à oficina ou fábrica, não ao vendedor de material elétrico.
