Além disso, a queda constante das tarifas de injecção na rede eléctrica levou a um número crescente de proprietários de instalações que utilizam a energia que produzem em vez de a injectar na rede. Para maximizar o autoconsumo, os sistemas de armazenamento são frequentemente utilizados em conjunto com os sistemas de gestão de energia. Estes sistemas de armazenamento fotovoltaico requerem inversores com sistemas de controlo e fluxos de energia mais complexos do que os anteriormente disponíveis, uma vez que se concentram não só na maximização do autoconsumo, mas também em funções adicionais, tais como:
- Programação otimizada do inversor para aproveitar as cargas fora das horas de ponta
- Qualidade da rede melhorada
- Função de emergência para falha de energia
Este artigo detalha as novas características técnicas exigidas aos inversores atuais para desempenhar estas funções.
Fluxo de Energia em Sistemas de Armazenamento
Em geral, um sistema de armazenamento fotovoltaico pode operar com os seguintes cinco fluxos de carga (Figura 1):
1. Gerador Fotovoltaico → Inversor: Energia fotovoltaica
2. Inversor → Consumidor ou injeção na rede
3. Inversor → Bateria: Carregamento da bateria
4. Bateria → Inversor: Descarga da bateria
5. Rede CA → Inversor: Carregamento da bateria com energia da rede CA
Os dois primeiros fluxos de energia são típicos de sistemas fotovoltaicos sem função de armazenamento.
No entanto, os sistemas com armazenamento devem ser capazes de lidar com os fluxos de energia 3 e 4 para carregar e descarregar a bateria.
O fluxo de energia 5, que carrega a bateria a partir da rede CA, não é um requisito obrigatório para um sistema com armazenamento e, por isso, nem todos os sistemas de armazenamento oferecem esta opção.
Este último modo de funcionamento possibilita muitas aplicações adicionais, algumas já importantes hoje e outras que o serão no futuro, como mostram os exemplos abaixo:
Função de Carregamento CA.
Embora a função de carregamento CA não seja a mais relevante para otimizar o autoconsumo, uma análise mais detalhada mostra que muitas aplicações não são possíveis sem esta função. O carregamento através de corrente CA pode ocorrer utilizando fontes de energia privadas ou autogeradas (residências) ou redes públicas (fornecimento da rede). Exemplos de aplicações de carregamento CA podem ser analisados na perspetiva dos seguintes três grupos de partes interessadas:
Do ponto de vista do operador do sistema
– Acoplamento com outras fontes de energia (acoplamento CA):
Nos últimos anos, tem-se assistido a um aumento crescente de pequenas instalações de cogeração (micro CHP) e até mesmo de parques eólicos de baixa potência no mercado. Nestes sistemas, a eletricidade está disponível mesmo quando a produção fotovoltaica é baixa, ou seja, no inverno, e o sistema de armazenamento fotovoltaico está a funcionar abaixo da capacidade. A função de carregamento CA permite o armazenamento temporário do excesso de energia de fontes auxiliares para utilização posterior.
Além disso, o acoplamento CA permite a instalação do sistema de armazenamento dentro de um sistema fotovoltaico existente.
Conservação da carga:
Se durante longos períodos houver pouca ou nenhuma energia fotovoltaica disponível (seja por módulos defeituosos, geradores fotovoltaicos cobertos de neve ou outros fatores), a função de carregamento CA impede a descarga completa do sistema de armazenamento e a consequente deterioração prematura da bateria.
Carga mínima em situações de emergência
: Muitos sistemas de armazenamento fotovoltaico incluem uma função de alimentação de emergência para o caso de uma interrupção ou falha na rede elétrica. Independentemente das condições de isolamento, a carga CA garante uma capacidade mínima no sistema de armazenamento. Isto também permite o planeamento para determinar se haverá tempo suficiente para carregar totalmente o sistema em caso de interrupção ou falha da rede elétrica.
Do ponto de vista dos utilizadores do mercado de eletricidade:
Tarifas de eletricidade por horário de consumo.
A introdução de contadores inteligentes permitiu às empresas distribuidoras de eletricidade oferecer aos seus clientes tarifas de eletricidade por horário de consumo. Isto possibilita que os sistemas de armazenamento de energia sejam abastecidos com eletricidade da rede durante os períodos de menor consumo e, em seguida, utilizem essa energia durante os períodos de pico. Isto é especialmente útil em períodos de baixa luminosidade.
Utilização de Sistemas de Armazenamento Flexível para a Otimização e Balanceamento da Rede:
O papel dos mercados de eletricidade (mercados de kWh) e dos seus respetivos participantes é o de alcançar o maior equilíbrio possível entre a oferta (produção) e a procura (consumo) antes de ser necessária eletricidade. Para a integração ideal destas fontes de energia no mercado, especialmente a energia fotovoltaica e eólica devido às suas flutuações naturais, são necessárias ferramentas de previsão com diversas opções. Uma dessas opções é o armazenamento descentralizado em baterias (que se combinam para formar uma “central virtual”).
Do ponto de vista do operador da rede elétrica:
Melhoria da qualidade da rede.
O aumento significativo de sistemas fotovoltaicos ligados à rede implica uma maior responsabilidade destes sistemas na prestação de serviços e na garantia da qualidade em toda a rede. A utilização de sistemas de armazenamento de energia significa que os sistemas fotovoltaicos podem desempenhar um papel crucial na manutenção dos níveis de tensão e frequência necessários na rede de distribuição. A função adicional de carregar as baterias com eletricidade a partir da rede CA (após passar pelo inversor CC) proporciona ao sistema fotovoltaico uma maior versatilidade.
Participação no mercado de equilíbrio de eletricidade:
O operador da rede elétrica compensa os desequilíbrios elétricos gerindo a produção de eletricidade quando a produção e a procura instantânea não coincidem. A gestão da eletricidade é, portanto, realizada de acordo com as necessidades da rede para alcançar um equilíbrio entre a procura e a produção de eletricidade. Tal como o operador do sistema eléctrico utiliza esta capacidade da rede (ver abaixo), o armazenamento descentralizado em baterias oferece uma opção flexível de gestão da electricidade com base nas necessidades tanto do utilizador como da rede.
Tecnologia Multi-Flow
Os fluxos de energia descritos na secção anterior são necessários para garantir o desempenho ideal do sistema de armazenamento fotovoltaico. Não só o inversor é necessário para estes modos de funcionamento, como também é relevante saber se os fluxos de corrente podem ocorrer em paralelo (simultaneamente). A tecnologia Multi-Flow, utilizada na série Fronius Symo Hybrid, representa uma abordagem abrangente para o controlo do fluxo de energia, na qual o variador se torna o centro de controlo inteligente para todos os fluxos de corrente. Os exemplos seguintes ilustram as vantagens dos sistemas de armazenamento com tecnologia Multi-Flow.
Fornecimento simultâneo de energia do sistema fotovoltaico e da bateria para a residência
Para satisfazer as necessidades energéticas da residência, o sistema fotovoltaico fornece energia, sendo que qualquer défice é coberto pela bateria.
Sem a tecnologia Multi-Flow, que permite o fluxo paralelo de energia, o sistema fotovoltaico não conseguiria suprir as necessidades da habitação, mesmo com a energia armazenada em baterias. Além disso, o sistema fotovoltaico teria de ser desligado, resultando numa perda de energia.
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Carregamento de baterias e fornecimento de energia residencial com sistemas fotovoltaicos:
Se a produção de energia do sistema fotovoltaico exceder o consumo da residência, o excesso de energia é armazenado na bateria. Esta energia excedente não é injetada na rede elétrica até que a bateria esteja totalmente carregada.
Sem a tecnologia Multi Flow, o inversor teria de reduzir a sua potência, resultando numa perda de energia.
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Fornecimento simultâneo de energia doméstica e carregamento de baterias com energia fotovoltaica e outras fontes de energia:
Para satisfazer as necessidades energéticas da residência, é utilizada a energia produzida pelo sistema fotovoltaico e por outras fontes de energia (por exemplo, uma pequena turbina eólica ou cogeração), sendo o excedente armazenado simultaneamente na bateria. Isto proporciona um nível de autonomia muito maior, mesmo durante os meses de inverno.
Os sistemas sem tecnologia Multi Flow não são capazes de utilizar a bateria para armazenar temporariamente energia de outras fontes.
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Cobertura do consumo de energia em situações de emergência utilizando energia fotovoltaica e uma bateria.
Em situações de emergência, o consumo energético da habitação pode ser fornecido simultaneamente por um sistema fotovoltaico e por uma bateria. Portanto, a operação de emergência continua mesmo quando a bateria está descarregada, desde que a energia produzida seja superior à energia consumida.
No caso de um sistema sem tecnologia Multi Flow, a energia do sistema fotovoltaico muitas vezes não pode ser utilizada para operações de emergência e, por isso, é perdida.
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6 Resumo
As exigências impostas aos inversores num sistema de armazenamento de energia são superiores às de um sistema fotovoltaico convencional sem armazenamento. O inversor num sistema de armazenamento moderno deve realizar o controlo inteligente de cada fluxo de energia, além de maximizar o autoconsumo. Para garantir que não há perda de energia e alcançar os mais elevados níveis de eficiência energética, todos os fluxos de energia devem poder ser fornecidos em simultâneo. Para certas aplicações, isto só é possível com a função de carregamento CA, tornando esta função ainda mais crítica.
O pacote de energia Fronius e a tecnologia Multi Flow cumprem os rigorosos requisitos de controlo de um sistema moderno de armazenamento de energia. A tecnologia Multi Flow permite que o sistema de armazenamento seja utilizado numa grande variedade de aplicações, tanto agora como no futuro.
