Definição das cargas para sistemas híbridos

É corriqueiro na vida do integrador ser questionado sobre sistemas híbridos com bateria, muitas vezes até mesmo antes de se começar a negociação do sistema on-grid, este que por sua vez é muito mais popular no mercado, tanto pelo custo quanto pelo benefício.

As dúvidas começam não na parte técnica do sistema, mas na parte comercial: como tratar desse tema? Como oferecer e quando oferecer um sistema híbrido?

Antes de tudo, precisamos entender que se em um sistema fotovoltaico on-grid sem baterias não poderíamos tratar a venda como uma receita de bolo, agora teremos a certeza que um sistema fotovoltaico on-grid com baterias nada tem de receita de bolo.

Naturalmente, há um custo diferente para implementação desse sistema, especialmente para o inversor e para as baterias. Já podemos fazer aqui talvez a mais importante observação: quanto maior for a potência e a autonomia de backup, maior será o custo, visto que teremos um maior inversor e também um maior sistema de armazenamento.

A Figura 1 apresenta exemplos de bateria de lítio e chumbo ácido.

Figura 1 – Bateria de lítio PHB e bateria de chumbo ácido, respectivamente. Qual é a melhor? Imagem: PHB Solar/Divulgação

O ponto mais importante na elaboração do orçamento de um sistema fotovoltaico híbrido com armazenamento de energia dependerá diretamente das cargas de backup.

Essas cargas definirão o dimensionamento do banco de baterias e também do inversor e, consequentemente, a base do orçamento de um sistema híbrido.  Dentro deste contexto, percebe-se que cada projeto terá um perfil único, que dependerá das particularidades de cada cliente.

É rotineiro se dimensionar os sistemas on grid a partir da média histórica de consumo extraída da fatura de energia. Porém, para o dimensionamento de sistemas híbridos com armazenamento de energia, dois clientes podem ter exatamente o mesmo histórico de consumo e possuírem sistemas completamente diferentes. Visto que vai depender do perfil de consumo deste cliente e da quantidade de cargas de backup que se pretende ter.

A Figura 2 apresenta um exemplo de uma fatura de energia com o histórico de consumo.

Figura 2 – Exemplo de histórico de consumo que pode ser utilizado para odimensionamento de sistemas fotovoltaicos. Gráfico: PHB Solar/Divulgação

Em uma reunião comercial, onde pretende-se viabilizar a implantação de um sistema híbrido com armazenamento de energia, alguns aspectos técnicos são importantes de serem verificados, como:

1. Qual a tensão das cargas de backup?
2. Quais são os aparelhos elétricos que entrarão para o backup do sistema híbrido?
3. Qual a potência de backup?
4. Por quanto tempo se deseja ter aquela potência de backup?
5. Qual a frequência dos eventos de falta de energia?
6. Em média, qual a duração da falta de energia?
7. Qual o melhor local para colocar o inversor e as baterias em segurança?

Respondidas estas questões, deve-se ainda olhar para o quadro geral de baixa tensão (QGBT) do cliente, se haverá a necessidade de separação de circuitos para atender as cargas de backup. Por exemplo: um mesmo circuito que atenda várias cargas da cozinha pode ser separado para que haja um circuito exclusivo para alimentar  geladeiras e freezers, que são as cargas que o cliente decidiu colocar como backup.

As perguntas 2, 3 e 4, elencadas acima, servem como parâmetros para definir a potência e energia do sistema híbrido. As perguntas 5 e 6 servem para entender a necessidade do cliente e elaborar um projeto otimizado, visando mitigar as dores desse cliente e elaborar um orçamento mais assertivo.

Este detalhe deve ser bem definido para que não haja frustração do cliente no que se refere ao sistema dimensionado e a capacidade de atender as necessidades levantadas.  A análise mais criteriosa permitirá a elaboração de um projeto otimizado, que satisfaça as necessidades de técnicas e ao mesmo tempo  possuam uma atratividade maior.

Um cuidado que se deve tomar é que, na etapa de elaboração da lista de cargas que serão colocadas em backup, normalmente o cliente acaba colocando um número de cargas alto, o que normalmente leva a um dimensionamento de um sistema híbrido com armazenamento muito grande.

Isso impactará no investimento para aquisição do sistema, ou seja, o aporte financeiro do cliente terá que ser alto e pode inviabilizar o investimento. Cabe ao integrador orientar o cliente e apresentar uma solução técnica otimizada, que atenda as necessidades do projeto e que possua viabilidade financeira.

Na definição das cargas de backup junto ao cliente é importante deixar claro que a quantidade dessas cargas e o tempo estipulado de uso no modo backup é uma premissa importante do projeto, e que, nos casos em que não se tem a rede elétrica e o modo de operação é o backup, uma utilização deliberada da energia pode impactar em um menor tempo de fornecimento nessas ocasiões, visto que a bateria possui uma capacidade delimitada.

Avançando no assunto e falando um pouco sobre os tipos de baterias utilizadas nesses projetos, cabe um destaque para as baterias de chumbo ácido e sua profundidade de descarga. Profundidade de descargas superiores a 60% de sua capacidade total de armazenamento apresentam severo impacto em sua vida útil.

Isso quer dizer que este tipo de tecnologia de bateria, caso seja a opção de escolha para uso, deve ser bem dimensionada considerando uma profundidade de descarga que a vida útil da bateria dure o programado.

A Figura 3 apresenta uma curva com a vida útil da bateria de chumbo ácido em números de ciclos em relação a profundidade de descarga utilizada.

Neste ponto, destacamos que um cliente que sofre com faltas diárias, com duração considerável sofrerá maior impacto do que um cliente com poucas faltas mensais de menor duração, visto que pode fazer com que a bateria tenha um maior descarregamento.

Por isso, deve-se ter muita atenção, pois, se o cliente pode comprar o sistema com essas baterias e começar a usar muito mais do que foi planejado, seja em potência ou energia, a troca de todo o banco de baterias poderá ocorrer de maneira precoce, frustrando os planejamentos do projeto.

Na PHB, trabalha-se com inversores híbridos monofásicos e bancos de 48V, portanto, caso sejam utilizadas baterias de chumbo ácido, o banco mínimo deverá ser de 4 baterias de 12V em série. Caso seja utilizada a bateria de lítio íon, a associação em série não se faz necessária, visto que a bateria já possui em seus terminais a tensão de saída necessária para compatibilizar com a entrada do inversor.

Nos casos de baterias de chumbo ácido, os bancos podem ser estendidos até um total de 16 unidades (4 conjuntos de 4 baterias em série paralelizados). No caso das baterias de lítio íon, pode-se associar até 6 baterias em paralelo.

A Figura 4 apresenta uma curva com a quantidade de ciclos de uma bateria de lítio íon em relação ao seu estado de saúde (estado de vida) quando se considera uma profundidade de descarga (DoD) de 90%, comum a baterias de lítio íon.

Ainda nesta imagem, pode-se perceber uma grande vantagem das baterias de lítio, sua durabilidade, já que possui uma profundidade de descarga alta e mesmo assim um número de ciclos de vida útil maior que as baterias de chumbo ácido.

Respondendo a última questão, pergunta 7 elencada no início desse texto, em sistemas híbridos com armazenamento em baterias há um volume de equipamentos maior, se comparado aos sistemas ongrid, justamente pela presença das baterias. Assim, deve-se prever um local seguro e/ou até propor adequações para o cliente para criação de um ambiente próprio para se instalar o novo sistema.

A imagem da Figura 5 apresenta um exemplo de configuração e local para armazenamento do sistema com baterias.

Em relação aos inversores híbridos, a PHB disponibiliza diferentes modelos. O inversor híbrido PHB3548-ES, que possui 3500W de potência e tensão da porta backup de 127V, e os inversores PHB3648-ES e PHB6048-ES, nas potências de 3600W e 6000W, respectivamente, ambos operando em tensão de 220V.

Assim, respondendo a pergunta número 1 no início deste artigo sobre o nível de tensão das cargas de backup, caso o nível de tensão das cargas seja de 127V, o modelo PHB3548-ES pode alimentar essas cargas sem a utilização de transformadores, visto que possui tensão de saída de 127V. No caso de haver equipamentos nos dois níveis de tensão (127V e 220V), recomenda-se utilizar o inversor híbrido da linha 220V com uso de autotransformador, que também é disponibilizado junto ao kit.

Para concluir este artigo, serão demonstrados dois exemplos diferentes. A tabela abaixo apresenta dois casos, o A e o B. No caso A,  há uma lista de cargas com suas potências e deve-se estimar a energia que o sistema de backup deverá ser dimensionado para possuir 6 horas de autonomia. No caso B, tem-se as mesmas cargas, porém com potências diferentes e a autonomia do sistema de backup será de 10 horas.

Para o caso A, empregando as 6 horas de backup, tem-se uma totalização de  4,08kWh de energia. Já para o caso B, considerando 10 horas de autonomia, resultaria em uma energia de 24,3kWh.

O sistema de bateria deverá ser dimensionado para atender a este volume de energia, mas pode-se perceber que há uma grande diferença entre os valores. Nessa análise o número de baterias dimensionado será muito diferente entre os casos A e B, devido a potência de cada carga e a autonomia necessária para cada caso.

Este detalhe mostra o quão relevante a relação do perfil de carga e o comportamento do cliente impactam diretamente no dimensionamento do sistema de armazenamento.

O perfil de consumo do cliente é único e por isso cada projeto terá suas particularidades e o seu dimensionamento. Desvios na hora do consumo utilizando as cargas no modo backup pode fazer com que o sistema previamente projetado não atenda corretamente o cliente conforme programado inicialmente.

Cargas com baixas potências utilizadas nesse período sempre impactarão menos no descarregamento das baterias, mas o cliente deve estar ciente da importância do seu perfil de consumo para durabilidade do sistema conforme o projeto

Isso representa uma diferença substancial na lista de materiais e no custo para implementação de sistemas híbridos, e a seleção de cargas acaba por definir o fechamento de negócio. Em primeiro momento, o cliente é levado a extravagâncias infundadas, e a condução da negociação é pautada pelo conhecimento técnico do mercado, que traz frutos positivos, e a especulação sem conhecimento leva o cliente a ficar com pé atrás, desconfiado.

Vale ainda destacar que a PHB possui sistema nobreak solar exclusivo, que possibilita a criação do sistema de backup para clientes que já possuam sistema on-grid em operação, reaproveitando o inversor e os módulos já instalados e criando uma rede separada para alimentação de cargas prioritárias em evento de falta de energia da rede da concessionária. Abordamos em detalhes essa solução neste artigo e neste webinar.

Na nossa plataforma de vendas disponibilizamos tabela para facilitar a definição do banco de baterias e possuímos equipe de engenheiros para analisar as melhores soluções para atender aos diferentes casos. Vale ainda lembrar que para sistemas de grande porte possuímos o contêiner de energia que abordamos em outros artigos, aqui mesmo no Canal Solar.

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