Ficha 01 · Tecnologias de armazenamento, hidrogénio, baterias e seus parâmetros

Exercício 1 · Três pedidos, três tecnologias

Um gabinete de projeto recebe três pedidos: (A) um centro de dados quer cobrir os 15 s que um gerador demora a arrancar numa falha de rede; (B) uma comunidade rural, com muito excedente solar no verão, quer reservar energia para os meses frios; (C) uma garagem de autocarros elétricos quer reduzir o pico de potência quando vários veículos carregam ao mesmo tempo. Para cada pedido, indica a família de armazenamento e a tecnologia que propões, justificando com a característica decisiva (potência, duração, ciclos ou eficiência).

Exercício 2 · Energia de um volante de inércia

Um volante de inércia é um disco maciço de aço com 200 kg e 0,30 m de raio, que gira a 12 000 rpm. Usa-se E = ½ · I · ω², com I = ½ · m · r² para um disco e ω = 2π · n ÷ 60 (n em rpm). (a) Calcula o momento de inércia, a velocidade angular e a energia guardada, em kWh. (b) Em funcionamento, o volante só pode descer até 6000 rpm. Que energia é utilizável? (c) Uma carga de 50 kW tem de ser mantida durante os 15 s que um gerador demora a arrancar. A energia utilizável chega? (d) Durante quanto tempo sustentaria os 50 kW, com uma eficiência de conversão de 90 %?

Exercício 3 · Hidrogénio para o excedente de uma comunidade

Numa comunidade, sobram num dia de verão 1200 kWh de excedente solar. O eletrolisador consome 55 kWh por kg de H₂ e a célula de combustível converte o hidrogénio com 52 % de eficiência (usa o PCI de 33,3 kWh/kg). (a) Que massa de hidrogénio se produz? (b) Que energia elétrica se recupera? (c) Qual é a eficiência de ida e volta, desprezando compressão e conversores? (d) Que volume ocupa o gás a 350 bar, considerando 24 kg/m³? (e) Indica duas medidas de segurança para o local de armazenamento.

Exercício 4 · Quantas células cabem na janela do inversor

Um inversor aceita uma bateria com tensão entre 100 V e 150 V. Dispõe-se de células NMC de 3,6 V nominais (3,0 V a 4,2 V) e 50 Ah, com C-rate máximo de carga de 0,5 C. (a) Qual o maior número de células em série que mantém a tensão máxima dentro da janela? (b) Com esse número, a tensão mínima fica dentro da janela? Qual a tensão nominal? (c) Para guardar cerca de 20 kWh nominais, quantos ramos em paralelo e quantas células no total? Que energia nominal resulta? (d) Qual a corrente máxima de carga e a potência correspondente à tensão nominal?

Exercício 5 · Ler os parâmetros de uma bateria

Uma bateria de 48 V e 120 Ah está a 100 % de SOC. (a) Que energia nominal tem? (b) É descarregada com 30 A. Qual o C-rate e quanto tempo demoraria a esvaziar teoricamente? (c) Retiram-se 3,2 kWh. Qual o DOD e o SOC final? (d) Se o fabricante limitar o DOD a 80 %, quanta energia pode retirar-se?

Exercício 6 · Quanto falta para o fim de vida

Uma bateria de 5 kWh nominais entrega hoje 4,1 kWh. Já realizou 1500 ciclos em 4 anos. (a) Qual o SOH? (b) Se a perda de capacidade fosse linear com os ciclos, em quantos ciclos adicionais chegaria ao SOH de 80 %? (c) Em quanto tempo, ao ritmo atual? (d) Porque é que esta previsão pode falhar?

Exercício 7 · Descobrir a eficiência da bateria a partir dos contadores

Num ciclo, entram 12 kWh de excedente solar no conversor de carga, que tem 97 % de eficiência. O inversor de saída tem 96 %. Os auxiliares consomem 0,25 kWh por ciclo. O contador à saída da instalação mede 9,9 kWh entregues à carga. (a) Qual a eficiência global do sistema? (b) Qual a eficiência de ida e volta da própria bateria (carga e descarga em conjunto)? (c) Se o mesmo sistema fizesse um ciclo de apenas 6 kWh de entrada, com o mesmo consumo de auxiliares, que eficiência global teria? (d) Que conclusão tiras?

Exercício 8 · Determinar o expoente de Peukert por ensaio

Uma bateria de chumbo-ácido tem 120 Ah referidos a 20 h. Num ensaio de descarga a 24 A constantes, durou 3,9 h até à tensão de corte. Usa-se t = H × (C ÷ (I × H))^k. (a) Calcula o expoente de Peukert k. (b) Com esse k, quanto duraria a 12 A e que capacidade efetiva se obteria? (c) Pretende-se alimentar 30 A durante 5 h, com DOD máximo de 50 %. Que capacidade nominal (a 20 h) é necessária? (d) Que erro se cometeria ao dimensionar sem Peukert?

Exercício 9 · Hidrogénio para uma frota de autocarros

Valores hipotéticos. Um operador quer abastecer 4 autocarros por dia, com 30 kg de H₂ cada. O eletrolisador consome 55 kWh por kg e funciona 10 h por dia, só com eletricidade fotovoltaica. (a) Quantos kg por dia, quanta eletricidade e que eficiência da produção sobre o PCI (33,3 kWh/kg)? (b) Que potência média tem o eletrolisador? (c) Que volume de armazenamento a 350 bar (24 kg/m³) dá 2 dias de reserva? (d) Compara a eletrólise com a reformação de metano sem captura e com captura de carbono, indicando a cor de cada uma e qual serve o objetivo; e diz que tipo de eletrolisador é mais adequado a uma alimentação solar variável. (e) Vale a pena produzir no local ou receber o hidrogénio por camião? Indica duas medidas de segurança para o armazenamento.

Exercício 10 · Que química para um abrigo de montanha

Um repetidor de telecomunicações está num abrigo de montanha, com invernos a -10 °C e visitas de manutenção raras. Tem de manter 8 kWh à carga numa falha de rede longa, e só há cerca de 10 falhas por ano. O inversor tem 95 %. Valores hipotéticos de comparação:

(a) Que energia nominal exige cada uma? (b) Qual o investimento em baterias de cada uma? (c) Os ciclos por ano decidem aqui a escolha? (d) Que química propões e que cuidado exige, se for a LFP?