Veículos elétricos, laptops, celulares, aspiradores sem fio, cachorros-robô (como assim?). Todos têm algo em comum. São alimentados por baterias de íon-lítio, cuja capacidade de armazenar energia diminui com o tempo. O armazenamento em larga escala na rede elétrica enfrenta as mesmas leis da física que o seu amigo canino robótico – baterias degradam conforme diversos fatores, incluindo ambiente (por exemplo, temperatura), tempo e uso (como ciclo de trabalho, profundidade de descarga e outros). Para os proprietários de ativos, gerenciar a degradação das baterias é parte da gestão do ativo. Nesta matéria, explicamos os principais pontos a considerar.

Observação – este é um tema bastante pesquisado e, como toda tecnologia ainda em desenvolvimento, o mundo ainda está tentando entender tudo isso...

O que é degradação de baterias?

Células de íon-lítio funcionam pelo movimento de íons entre os eletrodos positivo e negativo. Esse conceito existe desde as primeiras baterias (há mais de um século) e, em teoria, esse mecanismo deveria funcionar para sempre. Mas, claro, teoria ≠ realidade. Na prática, os componentes de uma célula (eletrodos, eletrólito, coletores de corrente e aditivos) passam por mudanças físicas e químicas durante a operação, o que reduz a energia armazenável (capacidade) e o máximo de potência que a célula consegue fornecer.

Essas mudanças físicas reduzem o desempenho e podem acontecer mais rápido ou mais devagar, dependendo de como as células são operadas.

Resumindo, operar baterias de forma ‘intensa’ reduz o desempenho mais rapidamente do que operá-las de modo ‘leve’.

Métricas, métricas, métricas

Ciclos – ‘ciclos’ é um termo muito usado para contar o número de cargas e descargas completas de uma bateria. Esse número tende a ser líquido e acumulativo. Por exemplo, não é preciso fazer uma carga de 100% de uma vez só. Várias pequenas cargas que somam 100% também contam como um ciclo. Ao falar de ciclos, é importante saber onde ele é medido – alguns contam os ciclos nas células da bateria (lado DC dos conversores de energia), outros em outros pontos (lado AC, conexão da rede etc.). Essas diferenças podem incluir ou excluir perdas do restante do sistema, mudando completamente a métrica.

Estado de Carga (SoC) – o nível de carga de uma célula em relação à sua capacidade, geralmente expresso em % (0% = vazio, 100% = cheio). Para algumas células de íon-lítio, operar dentro de uma faixa restrita pode prolongar sua vida útil. Por exemplo, usar a célula apenas entre 20% e 80% de SoC.

Profundidade de Descarga (DoD) – um parâmetro às vezes usado no lugar do SoC, que mostra quanto de carga foi retirada da bateria em relação ao total (ou seja, DoD = 100% - SoC).

Estado de Saúde (SoH) – um parâmetro sobre a condição da célula em comparação ao ideal, geralmente em %. Essa métrica é usada junto com a capacidade de energia como indicador de degradação. No dia 1 de operação, espera-se que o SoH esteja próximo de 100%. Um ativo em operação há algum tempo terá SoC menor que 100%.

Temperatura (T) – a temperatura tem enorme impacto no desempenho e na degradação das células. Elas podem esquentar muito rapidamente, então sistemas de resfriamento são essenciais. Também é importante manter as células acima de uma temperatura mínima (tipicamente 10-20°C) para desempenho ideal.

Que dados temos sobre degradação de baterias?

Começando pela pesquisa acadêmica:

Os dados (aplicáveis) sobre degradação de baterias são escassos. Há muitos dados de testes acadêmicos sobre degradação de células, mas geralmente são para células individuais ou pequenos grupos, e voltados para outros usos (como veículos elétricos, aviação, eletrônicos), que têm características diferentes do armazenamento em larga escala (como arranjos de células, temperaturas, perfis de carga). Além disso, testes em laboratório envolvem limitações de tempo, custo e espaço, o que faz com que pesquisadores precisem simular e fazer suposições.

Testar a degradação por 10 anos leva, bem, 10 anos. Alguém aí quer esticar o doutorado por 10 anos? Acho que não.

É comum simular, extrapolar ou acelerar os ciclos (10 anos de ciclos em 1 ano, talvez?). O custo também é desafiador – adquirir um contêiner de 12 metros cheio de células (apenas para degradá-las) é caro, então a pesquisa normalmente usa bancadas menores. Isso faz sentido, mas ainda deixa de fora algumas dinâmicas do mundo real – carga térmica e sistemas de resfriamento em contêineres, variações sazonais de temperatura, falhas e afins. Vale destacar aqui o Centro de Pesquisa em Armazenamento e Aplicações de Energia Elétrica (CREESA), liderado pela Universidade de Sheffield, que adquiriu, construiu e opera um sistema de armazenamento de 5MW apenas para fins acadêmicos – parabéns. No entanto, não podemos aplicar os dados do sistema CREESA a outros ativos no Reino Unido porque ele usa células de lítio-titanato, uma química de célula indiscutivelmente superior à maioria, mas também muito cara e, por isso, não utilizada em outros lugares do Reino Unido. Resumindo a pesquisa acadêmica sobre degradação de células – muito trabalho fantástico em andamento, mas ainda existe uma distância entre a pesquisa e o uso real em larga escala. Dados realmente aplicáveis para degradação de ativos de armazenamento de energia em escala de utilidade ainda são raros.

O que podemos aprender sobre degradação de baterias a partir de ativos em operação?

O mercado de armazenamento de energia no Reino Unido está amadurecendo; cerca de 1GW de armazenamento em escala de rede instalado em aproximadamente 60 ativos nos últimos 5 anos gerou muitos dados para aplicações reais. No entanto, proprietários e fabricantes costumam manter esses dados em sigilo. A maioria dos ativos em operação no Reino Unido tem entre 1 e 4 anos de uso e atuam principalmente em serviços de resposta de frequência (como FFR).

Com base em relatos sobre garantias de células, acredita-se que a maioria dos ativos em operação no Reino Unido mantém uma capacidade útil de 90-95% (ou seja, degradação de 5-10%). Mas isso é garantido, não necessariamente real.

O que dizem os fabricantes sobre degradação de baterias?

De modo geral, os fabricantes costumam ser conservadores e especificam a vida útil das células de íon-lítio como um número de ciclos completos de carga/descarga, mas isso simplifica muito a operação real. Uma regra prática do setor: espere reter entre 75-85% da capacidade de energia em 10 anos para seu ativo de armazenamento operando em 1,5-2 ciclos diários (para sistemas de 1 hora). Isso, claro, depende de diversas suposições sobre especificação, perfil de carga e uso.

Medição da degradação das baterias

Ao longo da vida útil do seu ativo, medir a degradação das baterias será fundamental para que você seja um ‘operador informado’, especialmente se a degradação fizer parte do contrato de garantia das células. Com garantias estendidas de até 15 anos sendo oferecidas, medições regulares são vitais. Em alguns casos, testes de degradação podem determinar se o fabricante deve substituir equipamentos ou pagar compensação (💷), então o regime de testes deve ser acordado previamente e constar em contrato.

A maneira mais completa de medir a degradação é realizar um teste de capacidade de energia. O sistema é carregado até 100% de SoC e depois descarregado continuamente, em potência definida, até chegar a 0% de SoC (por exemplo, descarga de 1 hora na potência nominal de 100% a 0% SoC). É um ótimo teste de desempenho porque é bastante ‘intenso’, testando também os serviços auxiliares (como o resfriamento). Porém, esses testes por si só já causam alguma degradação (imagine pegar seu carro da revisão e ele ter rodado mais 1.600 km). Para reduzir o impacto, alguns fabricantes recomendam fazer o teste com menos de 50% da potência nominal ou restringindo os níveis de SoC (por exemplo, descarregar de 80% a 20% de SoC e extrapolar). O debate continua.