Bateria Solar: Soluções de Armazenamento de Energia

Porquê equipar-se com uma bateria solar?

Existem vários motivos pelos quais você gostaria de adicionar uma bateria solar ao seu sistema. Seja num cenário isolado, híbrido ou comercial e industrial, temos uma bateria que se adapta às suas necessidades, rentável e durável, de 2 a várias centenas de kWh.

Maximize o uso de energia dos painéis solares  : As baterias permitem armazenar energia solar para uso noturno e noturno. Com a instalação de uma bateria solar, você importará menos energia da EDF e economizará na conta de luz. Podemos portanto falar aqui em otimizar o autoconsumo (híbrido), aliado aos seus painéis solares.

Faça arbitragem HP/HC: Se você não tiver uma bateria solar, as taxas de uso poderão aumentar significativamente suas contas de eletricidade. Mas uma bateria com um “estoque” de energia (capacidade) em KwH e painéis solares suficientes podem fornecer energia durante esses períodos de pico, quando o preço da eletricidade é mais alto.

Alguns sistemas de bateria (por ex. SIGENERGIA) são capazes de fazer este tipo de arbitragem inteligente, de recarregar com eletricidade da rede fora dos horários de pico quando faz sentido. Por exemplo, se parecer que não haverá sol suficiente para recarregar as baterias no dia seguinte através dos painéis, acoplando uma previsão do tempo.

Autossuficiência solar graças a baterias (backup): Todas as nossas gamas de baterias oferecidas são capazes de funcionar isoladamente, ou seja, sem a presença de EDF. Assim, você pode se beneficiar de uma função chamada de “emergência” (= backup) parcial ou total para proteger suas cobranças em casa. Durante o dia, caso ocorra uma interrupção do EDF, poderá continuar a beneficiar da energia solar, através dos seus painéis.

Quais são os diferentes tipos de baterias solares?

A evolução das baterias solares: o declínio das baterias de GEL e Chumbo:

As baterias solares passaram por um desenvolvimento significativo, marcado pelo declínio de tecnologias antigas como GEL e baterias de chumbo (marca Hoppecke, Victron, Enersys, etc.). Outrora populares, as baterias GEL, com seu eletrólito em forma de gel, e as baterias AGM (Absorbed Glass Mat), embora exijam pouca manutenção e ofereçam uma vida útil relativamente longa, estão agora desatualizadas. Seu desempenho e vida útil, geralmente entre 800 e 900 ciclos para GEL e até 10 anos para AGM, são insignificantes em comparação com os avanços nas baterias de lítio. Da mesma forma, as baterias de chumbo abertas, apesar do seu custo económico, requerem manutenção significativa e são limitadas pelo seu design não estanque. Hoje, ainda são vendidos em kits solares de entrada, onde as baterias AGM, pelo seu preço muito baixo, permitem instalações de baixo custo, nomeadamente para autocaravanas.

A superioridade técnica das baterias solares de íons de lítio:

As baterias solares de íons de lítio, graças à sua compactação e longa vida útil, estabeleceram-se rapidamente como a tecnologia preferida para armazenamento de energia solar. Oferecem maior eficiência energética e uma vida útil significativamente mais longa do que as baterias de GEL e de chumbo, marcando um ponto de viragem no armazenamento de energia solar. As baterias de lítio são equipadas com um sistema eletrônico de gerenciamento interno, um BMS, que otimizará a descarga e o carregamento de acordo com as tensões dos painéis solares e do inversor-carregador utilizado. As capacidades variam entre 2 a 10 kWh por elemento, dependendo das marcas das baterias. A potência de descarga pode ser de até 5000W para alguns modelos. A qualidade do BMS também influenciará a vida útil da bateria de lítio e a sua capacidade de descarga e, portanto, a energia devolvida.

As chamadas tecnologias de bateria “alternativas”: Níquel-Ferro, Titanato de Lítio e Íon de Sódio:

Ao mesmo tempo, outras tecnologias emergentes, como baterias de níquel-ferro, titanato de lítio e baterias de íon de sódio. As baterias de Níquel-Ferro, conhecidas pela sua robustez e longevidade, distinguem-se pela sua capacidade de suportar ciclos profundos de carga e descarga sem degradação significativa, garantindo ao mesmo tempo uma descarga rápida, se necessário. Eles são ideais para sistemas solares fora da rede. Eles podem fornecer até 8000 ciclos e seu eletrólito pode ser renovado. Eles podem ser descarregados para 0% sem risco. O preço ronda os 600€ por kWh.

A tecnologia de bateria solar de titanato de lítio, por outro lado, oferece carregamento extremamente rápido e vida útil prolongada, mesmo em condições climáticas extremas. Embora caras, as baterias solares de titanato de lítio têm a melhor garantia do mercado (20 anos para Zenaji), ou 10x a de uma bateria de chumbo Hoppecke ou Victron AGM! O preço, por outro lado, é aproximadamente 3x vezes superior ao de uma bateria de lítio convencional.

Finalmente, as baterias de iões de sódio estão a emergir como uma alternativa promissora, oferecendo uma solução mais acessível e ambientalmente sustentável. Embora ainda em fase de desenvolvimento, essas baterias estão sendo consideradas para aplicações em larga escala, devido ao seu baixo custo de produção e abundância de sódio. A sua capacidade energética é um pouco inferior à das baterias solares de lítio, devido a uma densidade de energia de cerca de 130 Wh/Kg, em comparação com 160 das baterias LiFePO.

A transição para tecnologias de bateria mais avançadas, incluindo íons de lítio, ferro-níquel, titanato de lítio e íons de sódio, reflete avanços contínuos no armazenamento de energia solar. Este desenvolvimento promete maior eficiência, melhor sustentabilidade e uma pegada ecológica reduzida, abrindo caminho para uma nova e mais sustentável era da energia solar.

Por que as baterias solares de lítio são superiores às baterias de chumbo (AGM, OPZs)?

A diferença mais notável entre a tecnologia de lítio (LIFEPO, por exemplo) e as baterias AGM/GEL, como Hoppecke ou Enersys, reside na capacidade de carga/descarga. O gráfico abaixo mostra a capacidade como uma porcentagem da capacidade nominal versus taxa de descarga (ou velocidade) (em potência). Com taxas de descarga de bateria muito altas, a capacidade de uma bateria de chumbo-ácido AGM/GEL é de apenas 60% de sua capacidade nominal:

Portanto, em sistemas solares onde a bateria está fortemente carregada ou regularmente com picos de descarga, uma bateria de lítio com capacidade menor terá uma capacidade UTÁVEL maior do que uma bateria de chumbo-ácido com capacidade semelhante. Ou seja, com capacidade semelhante, a bateria de lítio certamente custará mais caro, mas você poderá utilizar uma capacidade menor já que não é necessário superdimensioná-la para absorver picos de descarga.

A outra vantagem das baterias de lítio LIFEPO, em comparação com as baterias de chumbo AGM/GEL, reside na capacidade do ciclo (vida útil). A tecnologia LIFEPO tem aproximadamente 10x mais capacidade de ciclo em comparação com as melhores baterias OPZs. Isto torna o custo do kWh armazenado muito inferior ao do chumbo, o que significa que a bateria de lítio não precisará ser substituída durante a vida útil do sistema solar:

Como funciona uma bateria solar?

Uma bateria solar pode ser imaginada como uma espécie de “sanduíche” eletroquímico usado para armazenar energia. De um lado você tem o ânodo e do outro lado você tem o cátodo. Entre os dois, existe uma interface condutora iônica, chamada eletrólito, e um separador.

Os elétrons carregados negativamente da bateria concentram-se no ânodo. À medida que os opostos se atraem, eles querem ir em direção ao cátodo carregado eletricamente positivamente na bateria. O eletrólito atua como um amortecedor, evitando que os elétrons sigam o caminho mais curto da bateria (o que causaria um curto-circuito!).

Conectar o ânodo e o cátodo usando um fio externo permite que os elétrons da bateria fluam. Esse fluxo de elétrons é o que chamamos de eletricidade.

Diagrama de princípios (fonte: www.solarquotes.com)

Nas baterias solares recarregáveis ​​(tecnicamente chamadas de baterias “secundárias”, em oposição às baterias descartáveis), uma fonte de energia externa é usada para reverter o fluxo de corrente (por meio de painéis solares, por exemplo). A energia é assim armazenada (falamos de kWh), para utilização posterior, ou recarga através do painel solar.

Há muitas maneiras de organizar o cátodo, o ânodo e as folhas separadoras em uma moderna bateria solar de íons de lítio.

Eles geralmente são construídos como um rolo dentro de cilindros metálicos chamados células. Um sistema doméstico de armazenamento de energia pode ter milhares dessas células de bateria cilíndricas. Também podemos encontrar uma construção do tipo retangular, chamada prismática. Finalmente, existem os designs de folhetos em “células de bolsa” encontrados na Pylontech em particular:

Potência da bateria E energia! Não deve ser confundido …

Em nosso guia para autonomia solar, explicamos a distinção a ser feita entre potência e densidade (ou capacidade) de energia. Aqui está o diagrama da banheira que é fácil de entender:

Quando se trata de baterias, uma analogia útil é a água fluindo através de um cano até um recipiente, exceto que a água seria eletricidade e a energia seria a vazão:

• Potência (kW), ou “potência” em inglês, é a velocidade com que a água flui através do tubo, dentro ou fora do recipiente.
• Energia (kWh), ou capacidade, é a quantidade de água que o recipiente pode conter.

A maioria das baterias solares de íons de lítio tem uma produção contínua máxima entre 3 e 5 kW. Um Pylontech US5000, por exemplo, tem potência de 2.4 kW contínuos e pico de até 5KW. Se eu quiser obter 10 kW de potência do meu sistema de bateria, precisarei adicionar uma segunda bateria.

Níquel-Ferro, NIFE, Lítio LFP, NMC, Sódio? O que escolher?

Há alguns anos, quando falávamos sobre armazenamento em bateria, era seguro apostar que você estava em uma situação do tipo local isolado (fora da rede). E por uma boa razão, o preço das baterias de iões de lítio, em particular, era 4 a 6 vezes mais elevado do que hoje:

A tecnologia dominante há cerca de dez anos ainda era o chumbo-ácido (OPZs em particular da marca Victron, Hoppecke). Havia também baterias AGM ou GEL, sempre em tecnologia de chumbo. A tecnologia de chumbo-ácido tinha desvantagens (tamanho pesado, vida útil limitada, liberação de gás, intolerância a ciclos profundos, etc.) e exigia manutenção regular, que era complexa. Além disso, apesar do preço bastante baixo à primeira vista, foi necessário ter em conta a baixa capacidade disponível porque a descarga máxima estava limitada a 30%, para manter uma vida útil correcta!

O preço das baterias de lítio diminuiu drasticamente, atingindo 139 dólares por kWh (Artigo da Bloomberg.) 

As duas principais tecnologias de lítio são níquel-manganês-cobalto (NMC) e fosfato de ferro-lítio (LifePO). O TESVOLT HV por exemplo, usa células NMC Samsung SDI, enquanto baterias para uso residencial, como Pylontech ou BYD, usam exclusivamente LifePO.

Notar-se-á que cada bateria possui especificidades próprias, mas que a LifePo prevalece no número de ciclos, estabilidade térmica e vida útil.

Bateria LiFePO: valor imbatível pelo dinheiro:

As baterias solares baseadas na química LFP são isentas de cobalto e metais estratégicos e, portanto, são mais virtuosas do ponto de vista ecológico e C2G (“cradle to gate = ciclo de vida da bateria desde a sua extração até à sua reciclagem).

Bateria de Níquel-Ferro: prioridade à durabilidade:

Existem outras tecnologias, como Bateria de níquel-ferro que comercializamos desde 2018, que combina robustez e robustez incomparável para aplicações de “nicho” (especialmente locais isolados). São baterias muito especiais, certamente volumosas e que requerem manutenção, mas que têm uma vida útil quase ilimitada. Também não necessitam de BMS, o que é uma vantagem para quem aprecia designs de “baixa tecnologia”.

Também existe baterias de titanato de lítio (LTO), que oferecemos há 3 anos através da marca australiana Zenaji. Uma tecnologia de alto desempenho, com ciclagem incrível (20000 ciclos) mas com um preço proibitivo.

Baterias de íon de sódio finalmente, estão começando a chegar ao mercado. Iremos oferecê-lo em 2024, nomeadamente através da nossa parceria com a BIWATT e da sua solução totalmente integrada. Estes últimos apresentam vantagens únicas em termos de tolerância a temperaturas extremas e ausência de utilização de metais de alta criticidade (= em quantidade limitada). No entanto, o seu preço é atualmente semelhante ou até ligeiramente superior ao das baterias solares LIFEPO, e devemos ter uma perspectiva de utilização para ter a certeza de que a sua vida útil é interessante em comparação com baterias tecnicamente maduras.

Verifique cuidadosamente as condições de garantia da bateria!

Ler contratos de garantia de bateria pode ser entediante. Aqui estão os pontos essenciais para entender sobre qualquer sistema de armazenamento de energia que você esteja pensando em comprar.

Degradação da bateria (“EOL”), um critério primário para avaliar o número de ciclos disponíveis! 

Qual é a capacidade da bateria solar no final da garantia? 70% após 10 anos é um valor típico. Este é o famoso “EOL”. Os fabricantes fornecem gráficos que determinam o número de ciclos alcançáveis ​​pela bateria antes que sua capacidade residual ultrapasse o famoso limite “EOL” (= fim da vida útil). Por exemplo, com a bateria solar TESVOLT, vemos que as baterias têm garantia de 6500 ciclos com 100% de descarga, por 10 anos. Em outras palavras, você pode ciclá-los 6500 vezes a 100% durante 10 anos e não deve ficar abaixo de 70% da capacidade residual no final desses ciclos!

Outra forma de interpretar seria dizer que no uso padrão, uma bateria residencial passa por ciclos aproximadamente 280 por ano em equivalente “ciclo completo” (= 100% DOD). Isto é explicado pela sazonalidade (na verdade, no verão a bateria será menos utilizada do que no inverno!) Assim, um TESVOLT garantido 6500 ciclos permitirá realmente extrair 6500/280 = Aproximadamente 23 anos de operação antes de grande degradação.

A saúde da sua bateria solar, o SOH!

O outro conceito importante a lembrar é o do SOH, que significa “estado de saúde” da bateria, indica a sua capacidade residual. Um SOH de 98% indica que seu EOL é

Também é importante ter em mente que a qualidade de fabricação de uma célula de lítio terá impacto na sua vida útil, ou seja, na sua vida útil, excluindo o desgaste (quer seja usada ou não). No TESVOLT, por exemplo, a degradação extrapolada é muito baixa, cerca de 70% após 16 anos de uso intensivo a 100% DOD. Isto é confirmado pela nossa experiência de campo, uma vez que uma das nossas instalações num local isolado durante 4 anos com um TESVOLT ainda demonstra um SOH (“estado de saúde”) intacto!

Ao contrário, a substituição do SOH em um de nossos sistemas autônomos (Studer) com baterias, em serviço há 4 anos. Esta é uma bateria TESVOLT TS48V com células Samsung SDI. A capacidade é sempre % 100 o que indica uma vida útil muito longa por vir.

Bastante encorajador após 4 anos de serviço num local isolado!

Ao lado, o SOH de uma bateria Pylontech, também em serviço há 4 anos. Vemos que o SOH está bem menor e que as baterias perderam 8% da capacidade. A degradação é, portanto, muito maior.

Concluindo, é crucial compreender totalmente as questões relacionadas à escolha técnica que você faz para sua bateria solar. Isto terá um impacto na segurança, mas também na rentabilidade e no bom funcionamento do seu projeto a longo prazo. Nem todas as baterias são iguais!