Os sistemas de climatização ajudam a alcançar melhor desempenho, durabilidade e segurança das baterias.

Os sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS) estão ajudando a transformar a maneira como o mundo gera e consome eletricidade à medida que fazemos a transição de grandes usinas de combustíveis fósseis para fontes renováveis. O mercado de BESS está projetado para crescer a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 30% de 2023 a 2033, de acordo com o IDTechEx. Além disso, espera-se que a capacidade global acumulada de armazenamento de energia em baterias estacionárias atinja 2 terawatt-horas (TWh) dentro de dez anos.

Qual o problema? O mercado enfrenta o desafio básico de que o armazenamento eletroquímico de energia é notoriamente vulnerável ao superaquecimento, o que pode resultar em incêndios e explosões repentinas, além de causar degradação de desempenho e redução da vida útil das baterias. Os sistemas de resfriamento são de extrema importância para BESS, proporcionando a estabilidade térmica crucial para o desempenho, durabilidade e segurança das baterias. Se aplicadas corretamente, essas soluções podem reduzir a degradação e os danos às baterias, minimizando o tempo de inatividade.

 

Estabilidade Térmica e Temperatura Uniforme

Em geral, é ideal manter as baterias em uma temperatura moderada e consistente para garantir seu desempenho ótimo e longevidade. A exposição a temperaturas extremas, tanto altas quanto baixas, pode danificar as baterias e provocar eventos perigosos.

A faixa de temperatura específica necessária para operar com segurança varia conforme o tipo e o design da bateria. Enquanto novas tecnologias de bateria são desenvolvidas todos os dias, as baterias de íon de lítio continuam dominando os sistemas de armazenamento de energia devido à redução dos custos e ao aumento do desempenho, oferecendo maior densidade de energia com menos peso e espaço em comparação com outros tipos de bateria. É provável que as baterias de íon de lítio continuem sendo a tecnologia mais comum para BESS no futuro previsível.

De acordo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA, a faixa de temperatura ideal para baterias de íon de lítio fica entre 15°C e 35°C. Uma temperatura ambiente de cerca de 20°C ou ligeiramente abaixo é ideal; se uma bateria operar a 30°C, sua vida útil é reduzida em 20%. A 40°C, as perdas na vida útil se aproximam de 40%, e se as baterias forem carregadas e descarregadas a 45°C, a vida útil é apenas metade do esperado a 20°C.

Também é igualmente importante manter uma temperatura uniforme em todo o sistema. Evitar pontos quentes é crucial para prevenir danos e mitigar o risco de desencadear uma reação em cadeia que leve a um catastrófico descontrole térmico.

Causas do Superaquecimento de Baterias

Um fator chave que contribui para o superaquecimento é o uso em aplicações que exigem carregamento/descarregamento rápidos, conhecidas por terem uma alta taxa C, definida como a corrente de carga ou descarga dividida pela capacidade (a quantidade de energia que a bateria pode armazenar). Aplicações com alta taxa C e ciclos frequentes geram mais calor.

Outro fator é a alta temperatura ambiente, que pode danificar as baterias de várias maneiras. Temperaturas elevadas levam a uma taxa aumentada de reações secundárias, causando desgaste do material ativo e resultando em aumento da resistência na superfície do eletrodo. A operação de baterias de íon de lítio em altas temperaturas também acelera o processo de envelhecimento e leva à degradação do desempenho.

Paradoxalmente, temperaturas ambiente baixas podem causar mais problemas com superaquecimento interno do que temperaturas ambiente altas. Temperaturas baixas podem resultar em mudanças de viscosidade no eletrólito que levam a um transporte lento de íons, resultando em maior resistência e geração de calor.

Projetando uma Solução de Resfriamento Ideal – Resfriamento a Ar ou Líquido?

As soluções de gerenciamento térmico para BESS incluem resfriamento a líquido e a ar; a solução ideal depende principalmente da taxa C da aplicação e das condições ambientais. As aplicações de gerenciamento térmico mais exigentes, como instalações de BESS em larga escala e aplicações de alta taxa C, requerem resfriamento líquido ativo. Instalações menores com aplicações de baixa taxa C podem ser operadas com eficiência e segurança usando resfriamento a ar.

Resfriamento a Líquido

O resfriamento a líquido é extremamente eficaz na dissipação de grandes quantidades de calor e na manutenção de temperaturas uniformes em todo o pacote de bateria, permitindo designs de BESS que alcançam maior densidade de energia e suportam com segurança aplicações de alta taxa C.

Existem várias versões de chillers disponíveis para otimizar o layout do sistema de resfriamento. Por exemplo, a Pfannenberg oferece duas opções de layout: um chiller independente que pode ser colocado dentro do BESS. Cada unidade fornece até 12 kW de resfriamento, e várias unidades podem ser facilmente combinadas para suportar os requisitos mais altos de carga térmica. Alternativamente, uma versão compacta é projetada para ser montada ao ar livre na porta do gabinete, ocupando pouco espaço e permitindo integração fácil dentro de gabinetes e invólucros de bateria. Ambas as soluções operam com segurança entre -25 e +50°C e oferecem até 800 V DC de fornecimento de energia para conexão direta com o sistema de bateria, sem necessidade de conversão de energia.

Resfriamento a Ar

Os sistemas de resfriamento a ar oferecem uma solução de resfriamento econômica para sistemas menores de armazenamento de energia estacionária operando com uma taxa C relativamente baixa.

Por exemplo, a Unidade de Resfriamento DTS da Pfannenberg sela o ar ambiente e, em seguida, refrigera e recircula ar limpo e fresco através do invólucro. O design de circuito fechado isola o ar ambiente externo do ar internamente condicionado, eliminando o risco de contaminantes entrarem no gabinete. O compressor hermeticamente selado garante eficiência de capacidade de resfriamento de 100%.

Para aplicações em que o ar ambiente está sempre mais frio do que a temperatura necessária dentro do invólucro, os ventiladores com filtros, que usam a convecção natural do ar para circular e dissipar calor, são extremamente eficazes em termos de custo.

O armazenamento de energia desempenha um papel importante na transição para uma sociedade neutra em carbono. Os sistemas de BESS dependem de sistemas de resfriamento que proporcionem a estabilidade térmica crucial para o desempenho, durabilidade e segurança das baterias, e, se aplicados corretamente, podem reduzir a degradação e os danos às baterias, minimizando o tempo de inatividade.