Proposta de distribuição para tempos letivos de 50 minutos (50h ≈ 60 tempos). Ajuste a blocos de 45 ou 90 minutos e ao calendário da sua escola; os conteúdos seguem os materiais da UC e os objetivos o referencial oficial, a sequência é uma sugestão. As sete fases do mini-projeto somam 20 h no enunciado; nesta proposta ocupam 17 tempos em aula e o restante faz-se em trabalho autónomo.
Planificação sessão a sessão
Aula
Tempos
Sessão
Conteúdos
Objetivos (referencial)
Recursos Aulify
Avaliação
1
3
Apresentação da unidade e princípios e tipos de armazenamento de energia
Apresentação da unidade, do plano de horas e dos critérios de avaliação. Diagnóstico inicial. Bloco 1: porque se armazena energia, energia e potência e as unidades, famílias de armazenamento e exemplo da central hídrica reversível.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Princípios e tipos de armazenamento de energia.» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.»
Tecnologias de armazenamento: baterias, supercondensadores e outras
Bloco 2: baterias e supercondensadores, outras tecnologias (hídrica reversível, ar comprimido, volante de inércia, bateria de fluxo, térmico) e exemplo do banco de supercondensadores a 48 V.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Tecnologias de armazenamento · baterias, supercondensadores, hidrogénio, outras.» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.»
Produção, armazenamento e transporte de hidrogénio
Bloco 3: propriedades e produção de hidrogénio, eletrolisadores, exemplo da eletricidade para 10 kg de H₂, formas de armazenar e transportar, e segurança.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Produção, armazenamento e transporte de hidrogénio · métodos e tipos.» Aptidão: «Distinguir os processos de produção de hidrogénio.» «Analisar formas de armazenamento e transporte de hidrogénio em segurança.»
Bloco 4: as quatro utilizações do hidrogénio, células de combustível e seus tipos, eficiência de ida e volta e quando o hidrogénio compensa.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Aplicações do hidrogénio no setor energético.» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.»
Fase 1 do mini-projeto (2 h): análise do caso da PME de panificação com fotovoltaico, extração dos dados de partida e definição dos objetivos mensuráveis e das restrições do local.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Princípios e tipos de armazenamento de energia.» Aptidão: «Interpretar dados técnicos e determinar a autonomia de sistemas.»
Bloco 5: chumbo-ácido, sódio, níquel e fluxo; iões de lítio e as suas químicas; exemplo de como montar uma bateria de 48 V.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Tipos de baterias · iões de lítio, chumbo-ácido, sódio, outras.» Aptidão: «Identificar as vantagens e desvantagens das principais tecnologias de baterias.»
Fase 2 do mini-projeto (3 h): comparação de pelo menos três tecnologias em densidade, eficiência, ciclos, segurança, custo e adequação à função, escolha e justificação.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Tecnologias de armazenamento · baterias, supercondensadores, hidrogénio, outras.» «Tipos de baterias · iões de lítio, chumbo-ácido, sódio, outras.» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.» «Identificar as vantagens e desvantagens das principais tecnologias de baterias.»
Bloco 6: capacidade e energia, DOD e SOC, C-rate, ciclos de vida, autodescarga, SOH e resistência interna; exemplo de autonomia e C-rate.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Características e parâmetros das baterias · capacidade, tensão nominal, profundidade de descarga DOD, estado de carga SOC, taxa de carga/descarga C-rate, ciclos de vida, autodescarga, condição SOH (State of Health).» Aptidão: «Interpretar dados técnicos e determinar a autonomia de sistemas.»
Bloco 7: perdas em cadeia, fatores de degradação e efeito de Peukert no chumbo-ácido.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Eficiência energética e fatores de degradação.» Aptidão: «Avaliar a eficiência, desempenho e vida útil de baterias sob diferentes condições.»
Ficha 01: tecnologias, hidrogénio, baterias e parâmetros
Resolução dos exercícios 1 a 10 da Ficha 01: escolha de tecnologia, volante de inércia, hidrogénio, arranjo de células, parâmetros, fim de vida, eficiência, expoente de Peukert, frota de autocarros e escolha de química.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Princípios e tipos de armazenamento de energia.» «Tecnologias de armazenamento · baterias, supercondensadores, hidrogénio, outras.» «Produção, armazenamento e transporte de hidrogénio · métodos e tipos.» «Tipos de baterias · iões de lítio, chumbo-ácido, sódio, outras.» «Eficiência energética e fatores de degradação.» «Características e parâmetros das baterias · capacidade, tensão nominal, profundidade de descarga DOD, estado de carga SOC, taxa de carga/descarga C-rate, ciclos de vida, autodescarga, condição SOH (State of Health).» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.» «Distinguir os processos de produção de hidrogénio.» «Analisar formas de armazenamento e transporte de hidrogénio em segurança.» «Interpretar dados técnicos e determinar a autonomia de sistemas.» «Identificar as vantagens e desvantagens das principais tecnologias de baterias.» «Avaliar a eficiência, desempenho e vida útil de baterias sob diferentes condições.»
Bloco 8: o que faz um BMS, arquiteturas centralizada, modular e distribuída, medição e estimativa de SOC, balanceamento e proteções.
Realização: «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Arquitetura e funcionamento de BMS (Battery Management Systems).» Aptidão: «Aplicar sistemas de gestão de baterias (BMS).»
Bloco 9: CAN e SMBus, Modbus (RTU, ASCII e TCP), comparação dos três protocolos e passos de configuração.
Realização: «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Protocolos de comunicação: CAN, Modbus, SMBus.» Aptidão: «Aplicar os principais protocolos de comunicação entre sistemas de gestão de baterias e dispositivos.»
Integração com fotovoltaico, eólico e veículos elétricos
Bloco 10: acoplamento DC, AC e híbrido, compatibilidade bateria-inversor, integração eólica e veículos elétricos.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Integração com sistemas fotovoltaicos e eólicos e aplicações em veículos elétricos.» Aptidão: «Analisar a compatibilidade de baterias com sistemas geradores renováveis.» «Executar a integração de sistemas de armazenamento com geração renovável.»
Dimensionamento e otimização de sistemas de armazenamento
Bloco 11: método e fórmula base, backup e redução de pontas, proteção em DC, cabos e otimização, viabilidade simples e enquadramento no SCE.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» Aptidão: «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Determinar a capacidade necessária de baterias para maximizar a eficiência dos sistemas.»
Fase 3 do mini-projeto (4 h): energia útil e nominal, potência do inversor, arranjo da bateria, corrente e C-rate, com DOD, eficiência e margem de envelhecimento, e reserva de SOC para o backup.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Características e parâmetros das baterias · capacidade, tensão nominal, profundidade de descarga DOD, estado de carga SOC, taxa de carga/descarga C-rate, ciclos de vida, autodescarga, condição SOH (State of Health).» «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» Aptidão: «Interpretar dados técnicos e determinar a autonomia de sistemas.» «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Determinar a capacidade necessária de baterias para maximizar a eficiência dos sistemas.»
Fase 4 do mini-projeto (3 h): limites do BMS, balanceamento e protocolo de comunicação com o inversor (terminação, débito, endereços e perfil de mensagens).
Realização: «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Arquitetura e funcionamento de BMS (Battery Management Systems).» «Protocolos de comunicação: CAN, Modbus, SMBus.» Aptidão: «Aplicar sistemas de gestão de baterias (BMS).» «Aplicar os principais protocolos de comunicação entre sistemas de gestão de baterias e dispositivos.»
Mini-projeto · fase 5: integração, proteções e cabos
Fase 5 do mini-projeto (3 h): arquitetura de ligação ao fotovoltaico, compatibilidade com o inversor, proteções e cabos DC, esquema unifilar de princípio e estratégia de gestão.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Integração com sistemas fotovoltaicos e eólicos e aplicações em veículos elétricos.» «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» Aptidão: «Analisar a compatibilidade de baterias com sistemas geradores renováveis.» «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Executar a integração de sistemas de armazenamento com geração renovável.»
Monitorização, controlo, segurança e enquadramento regulamentar
Bloco 12: o que monitorizar, indicadores de desempenho, ferramentas, segurança, comissionamento, manutenção, fim de vida, normas e regulamentação. Recapitulação.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Monitorização e controlo de sistemas com baterias.» Aptidão: «Aplicar ferramentas e técnicas de monitorização da performance e eficiência de sistemas de baterias.»
Mini-projeto · fase 6: monitorização, segurança e regulamentação
Fase 6 do mini-projeto (3 h): indicadores, alarmes, plano de comissionamento e manutenção, obrigações regulamentares a confirmar e medidas de segurança do local.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» Conhecimento: «Monitorização e controlo de sistemas com baterias.» Aptidão: «Aplicar ferramentas e técnicas de monitorização da performance e eficiência de sistemas de baterias.»
Ficha 02: BMS, protocolos, integração, dimensionamento e monitorização
Resolução dos exercícios 1 a 9 da Ficha 02: balanceamento, SOC por contagem de Coulomb, trama CAN, Modbus RTU, compatibilidade bateria-inversor, arbitragem tarifária, simulação de SOC, diagnóstico por monitorização e aerogerador com bateria.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Arquitetura e funcionamento de BMS (Battery Management Systems).» «Protocolos de comunicação: CAN, Modbus, SMBus.» «Integração com sistemas fotovoltaicos e eólicos e aplicações em veículos elétricos.» «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» «Monitorização e controlo de sistemas com baterias.» Aptidão: «Avaliar a eficiência, desempenho e vida útil de baterias sob diferentes condições.» «Analisar a compatibilidade de baterias com sistemas geradores renováveis.» «Aplicar sistemas de gestão de baterias (BMS).» «Aplicar os principais protocolos de comunicação entre sistemas de gestão de baterias e dispositivos.» «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Determinar a capacidade necessária de baterias para maximizar a eficiência dos sistemas.» «Executar a integração de sistemas de armazenamento com geração renovável.» «Aplicar ferramentas e técnicas de monitorização da performance e eficiência de sistemas de baterias.»
Consolidação e síntese da unidade. Esclarecimento de dúvidas.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Princípios e tipos de armazenamento de energia.» «Tecnologias de armazenamento · baterias, supercondensadores, hidrogénio, outras.» «Produção, armazenamento e transporte de hidrogénio · métodos e tipos.» «Aplicações do hidrogénio no setor energético.» «Tipos de baterias · iões de lítio, chumbo-ácido, sódio, outras.» «Eficiência energética e fatores de degradação.» «Características e parâmetros das baterias · capacidade, tensão nominal, profundidade de descarga DOD, estado de carga SOC, taxa de carga/descarga C-rate, ciclos de vida, autodescarga, condição SOH (State of Health).» «Arquitetura e funcionamento de BMS (Battery Management Systems).» «Protocolos de comunicação: CAN, Modbus, SMBus.» «Integração com sistemas fotovoltaicos e eólicos e aplicações em veículos elétricos.» «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» «Monitorização e controlo de sistemas com baterias.» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.» «Distinguir os processos de produção de hidrogénio.» «Analisar formas de armazenamento e transporte de hidrogénio em segurança.» «Interpretar dados técnicos e determinar a autonomia de sistemas.» «Identificar as vantagens e desvantagens das principais tecnologias de baterias.» «Avaliar a eficiência, desempenho e vida útil de baterias sob diferentes condições.» «Analisar a compatibilidade de baterias com sistemas geradores renováveis.» «Aplicar sistemas de gestão de baterias (BMS).» «Aplicar os principais protocolos de comunicação entre sistemas de gestão de baterias e dispositivos.» «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Determinar a capacidade necessária de baterias para maximizar a eficiência dos sistemas.» «Executar a integração de sistemas de armazenamento com geração renovável.» «Aplicar ferramentas e técnicas de monitorização da performance e eficiência de sistemas de baterias.»
Fase 7 do mini-projeto (2 h): reunião da memória descritiva, dos cálculos, do esquema e do plano de ensaios; apresentação da solução e da análise económica à turma.
Realização: «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Características e parâmetros das baterias · capacidade, tensão nominal, profundidade de descarga DOD, estado de carga SOC, taxa de carga/descarga C-rate, ciclos de vida, autodescarga, condição SOH (State of Health).» «Arquitetura e funcionamento de BMS (Battery Management Systems).» «Protocolos de comunicação: CAN, Modbus, SMBus.» «Integração com sistemas fotovoltaicos e eólicos e aplicações em veículos elétricos.» «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» «Monitorização e controlo de sistemas com baterias.» Aptidão: «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Determinar a capacidade necessária de baterias para maximizar a eficiência dos sistemas.» «Executar a integração de sistemas de armazenamento com geração renovável.» «Aplicar ferramentas e técnicas de monitorização da performance e eficiência de sistemas de baterias.»
Realização do teste de avaliação sumativa. Correção e balanço da unidade.
Realização: «Selecionar tecnologias de armazenamento de energia.» «Dimensionar, integrar e otimizar sistemas de armazenamento de energia.» «Desenvolver e configurar sistemas de BMS.» Conhecimento: «Princípios e tipos de armazenamento de energia.» «Tecnologias de armazenamento · baterias, supercondensadores, hidrogénio, outras.» «Produção, armazenamento e transporte de hidrogénio · métodos e tipos.» «Aplicações do hidrogénio no setor energético.» «Tipos de baterias · iões de lítio, chumbo-ácido, sódio, outras.» «Eficiência energética e fatores de degradação.» «Características e parâmetros das baterias · capacidade, tensão nominal, profundidade de descarga DOD, estado de carga SOC, taxa de carga/descarga C-rate, ciclos de vida, autodescarga, condição SOH (State of Health).» «Arquitetura e funcionamento de BMS (Battery Management Systems).» «Protocolos de comunicação: CAN, Modbus, SMBus.» «Integração com sistemas fotovoltaicos e eólicos e aplicações em veículos elétricos.» «Dimensionamento e otimização de baterias em sistemas de eficiência energética.» «Monitorização e controlo de sistemas com baterias.» Aptidão: «Caracterizar os principais tipos e tecnologias de armazenamento.» «Distinguir os processos de produção de hidrogénio.» «Analisar formas de armazenamento e transporte de hidrogénio em segurança.» «Interpretar dados técnicos e determinar a autonomia de sistemas.» «Identificar as vantagens e desvantagens das principais tecnologias de baterias.» «Avaliar a eficiência, desempenho e vida útil de baterias sob diferentes condições.» «Analisar a compatibilidade de baterias com sistemas geradores renováveis.» «Aplicar sistemas de gestão de baterias (BMS).» «Aplicar os principais protocolos de comunicação entre sistemas de gestão de baterias e dispositivos.» «Executar o dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia.» «Determinar a capacidade necessária de baterias para maximizar a eficiência dos sistemas.» «Executar a integração de sistemas de armazenamento com geração renovável.» «Aplicar ferramentas e técnicas de monitorização da performance e eficiência de sistemas de baterias.»
Aula 1Apresentação da unidade de competência, do plano de 50 horas (blocos de exposição, duas fichas e mini-projeto) e dos critérios de avaliação. Diagnóstico inicial. Porque se armazena energia: autoconsumo, arbitragem tarifária, redução de pontas, alimentação de emergência, qualidade de energia e apoio à rede e a comunidades de energia, com a ideia de que a função decide a tecnologia e não o contrário. Potência e energia (E = P × t), 1 Wh = 3600 J, as duas medidas independentes de um sistema (capacidade em kWh e potência máxima em kW) e a duração a plena potência, com o exemplo da bateria de 10 kWh e inversor de 5 kW, que dura 2 h. As cinco famílias de armazenamento (mecânico, eletroquímico, químico, elétrico e térmico) e os critérios para as comparar. Exemplo resolvido: energia de uma central hídrica reversível com 1 000 000 m³ a 300 m, cerca de 817,5 MWh, dos quais cerca de 736 MWh entregues com rendimento de 90 %.
Aula 2A bateria converte energia química em elétrica: eficiência acima de 90 % em lítio, resposta em milissegundos, modular, com limites de ciclos e temperatura, BMS obrigatório e risco de descontrolo térmico. O supercondensador guarda energia no campo elétrico (E = ½ · C · V²), com células de cerca de 2,7 V, centenas de milhar a milhões de ciclos, densidade de energia baixa e tensão que cai linearmente; serve picos curtos, travagem regenerativa e a ponte para o arranque de geradores. Regra de síntese: bateria é energia, supercondensador é potência. Outras tecnologias, cada uma com o seu ponto forte e o seu limite: hídrica reversível, ar comprimido (CAES), volante de inércia, bateria de fluxo e armazenamento térmico, com a pergunta prévia de saber se parte da carga pode deslocar-se no tempo. Exemplo resolvido: banco a 48 V com células de 3000 F e 2,7 V, 18 células em série, 166,7 F, cerca de 54,7 Wh e cerca de 41 Wh utilizáveis, ou seja, pouco mais de 2 min a 1 kW.
Aula 3Propriedades do hidrogénio: 33,3 kWh/kg (PCI) e 39,4 kWh/kg (PCS), muito pouca energia por volume, inflamável no ar de 4 % a 75 %, chama quase invisível e sem odor. Processos de produção: eletrólise (hidrogénio verde com eletricidade renovável), reformação de metano (cinzento, ou azul com captura de carbono), gasificação e pirólise, sendo as cores convenções de uso comum e não classificações legais. Eletrolisadores alcalino, PEM e de óxido sólido, com consumo real de 50 a 55 kWh/kg. Exemplo resolvido: 10 kg de H₂ a 52 kWh/kg exigem 520 kWh para 333 kWh contidos, eficiência da produção de 64 %, e ocupam 0,42 m³ a 350 bar, 0,25 m³ a 700 bar e cerca de 110 m³ à pressão ambiente. Armazenamento em gás comprimido (200 a 700 bar), líquido (cerca de -253 °C), hidretos metálicos, LOHC e amoníaco, e cavernas de sal; transporte por camião, gasoduto e navio, ou produzir onde se consome. Segurança: ventilação em cima, sensores de fuga, ausência de fontes de ignição, atmosferas explosivas, válvulas de alívio, formação e EPI.
Aula 4As quatro portas de entrada do hidrogénio: armazenamento de eletricidade, mobilidade, indústria e injeção na rede de gás. Célula de combustível (H₂ + O₂ dão eletricidade, água e calor, sem combustão) e tipos PEMFC, AFC, PAFC e SOFC, com eficiência elétrica PEM de 40 % a 60 % e exemplo de 1 kg de H₂ a 50 %, que dá 16,65 kWh. Eficiência de ida e volta de cerca de 28 % (0,65 × 0,90 × 0,50 × 0,95), contra 90 kWh ou mais devolvidos em cada 100 kWh numa bateria de lítio. O hidrogénio faz sentido no armazenamento sazonal, no backup de longa duração, na mobilidade pesada e na indústria que já o consome; para uma moradia ou PME comum, a bateria de lítio é mais económica.
Aula 5Fase 1 do mini-projeto: leitura do caso de uma PME de panificação com pavilhão, forno elétrico, câmaras frigoríficas e instalação fotovoltaica de 25 kWp em autoconsumo, com consumo médio de 180 kWh por dia, produção solar de cerca de 100 kWh por dia e excedente ao meio-dia. Extração dos dados de partida: pico de 42,5 kW entre as 6h e as 7h, acima dos 34,5 kVA de potência contratada, e cargas críticas de 4 kW a manter durante 5 h numa falha de rede. Definição dos objetivos mensuráveis (cortar o pico a 34,5 kW, o que dá um excesso de 8 kW durante cerca de 1 h, ou 8 kWh por dia; manter 4 kW durante 5 h, ou 20 kWh de reserva; aproveitar o excedente do meio-dia) e das restrições do local, com os pressupostos registados no dossiê.
Aula 6Chumbo-ácido (2 V por célula): barato e reciclável, mas com 30 a 50 Wh/kg, DOD de cerca de 50 %, poucos ciclos, sulfatação e efeito de Peukert; versões abertas, AGM e gel. Iões de sódio (cerca de 3 V por célula): matéria-prima abundante e bom comportamento a baixas temperaturas, mas menos energia que o lítio; existem também as de alta temperatura NaS. Níquel (1,2 V por célula): NiCd robusto mas com cádmio, NiMH com autodescarga alta. Baterias de fluxo, com potência e energia independentes. Iões de lítio: LFP (3,2 V), NMC (3,6 a 3,7 V), NCA (3,6 V), LTO (2,3 a 2,4 V) e LCO (3,7 V), com os respetivos pontos fortes e fracos; LFP para estacionário em edifícios, NMC para veículos, BMS obrigatório em todas. Exemplo resolvido: bateria de 48 V com células LFP de 3,2 V e 100 Ah, 16 células em série (51,2 V) e 2 ramos em paralelo, 32 células (16S2P) e 10,24 kWh, com a regra de que a série soma tensões e o paralelo soma capacidades.
Aula 7Fase 2 do mini-projeto: comparação de pelo menos três tecnologias de armazenamento para o caso da PME (chumbo-ácido estacionário, iões de lítio LFP, hidrogénio e supercondensadores) em densidade de energia, eficiência, ciclos, segurança, custo e adequação à função, com os dados fornecidos: chumbo-ácido com DOD de 50 %, 1200 ciclos e eficiência de ida e volta de 75 % a 85 %; hidrogénio com eletrolisador de 55 kWh por kg, célula PEM de 50 % e eficiência global de cerca de 30 %; supercondensadores de 3000 F e 2,7 V. Discussão dos argumentos que descartam cada alternativa (DOD e Peukert no chumbo-ácido, complexidade e eficiência do hidrogénio, falta de energia dos supercondensadores para 5 h de backup) e escolha justificada da tecnologia com critérios técnicos.
Aula 8Os parâmetros que dimensionam uma bateria: capacidade (Ah) e energia (E = C × U), DOD e SOC (SOC = 100 % - DOD), C-rate (I ÷ C, com a duração como o seu inverso), ciclos de vida até 80 % da capacidade inicial, autodescarga (lítio 1 % a 3 % por mês, chumbo 3 % a 5 % por mês), SOH (capacidade atual ÷ inicial, fim de vida convencional em 80 %) e resistência interna (ΔU = I · R, perdas I² · R). Exemplo resolvido de autonomia: bateria de 51,2 V e 200 Ah, DOD de 90 %, SOH de 95 %, carga de 800 W e inversor de 94 %, com energia útil de 8755 Wh e autonomia de cerca de 10,3 h. Com uma carga de 6 kW, a corrente é de cerca de 117 A, ou 0,59 C, acima do limite de 0,5 C; soluções: reduzir a carga, aumentar a capacidade (300 Ah dá 0,39 C) ou escolher uma bateria com C-rate maior.
Aula 9A eficiência de ida e volta como produto das eficiências da cadeia (conversor, carga, descarga e inversor) menos os auxiliares, com o exemplo de 10 kWh que se reduzem a 8,43 kWh (84,3 %); inversores sobredimensionados, consumo em vazio e perdas que se transformam em calor. Fatores de degradação e respetiva mitigação: calor, frio, DOD e SOC altos, C-rate alto, sobrecarga e sobredescarga, desequilíbrio entre células e sulfatação no chumbo, com os dois mecanismos de envelhecimento por ciclagem e por calendário. Efeito de Peukert no chumbo-ácido (t = H · (C ÷ (I · H))^k, com k entre 1,1 e 1,4): bateria de 100 Ah, k = 1,25 e carga de 25 A duram cerca de 2,67 h, ou seja, uma capacidade efetiva de cerca de 67 Ah; no lítio, k é cerca de 1 e o efeito é desprezável.
Aula 10Resolução e correção da Ficha 01. Ex. 1: três pedidos (centro de dados, excedente sazonal, garagem de autocarros) e a tecnologia adequada a cada um. Ex. 2: energia de um volante de inércia de 200 kg a 12 000 rpm. Ex. 3: hidrogénio para o excedente de 1200 kWh de uma comunidade, com eficiência de ida e volta e volume a 350 bar. Ex. 4: número de células NMC em série para a janela de 100 V a 150 V de um inversor. Ex. 5: energia, C-rate, DOD e SOC de uma bateria de 48 V e 120 Ah. Ex. 6: SOH e fim de vida de uma bateria de 5 kWh. Ex. 7: eficiência global e de ida e volta a partir dos contadores. Ex. 8: expoente de Peukert determinado por ensaio. Ex. 9: hidrogénio para uma frota de 4 autocarros, com a comparação entre eletrólise e reformação de metano. Ex. 10: escolha da química (chumbo-ácido, LFP ou NiCd) para um abrigo de montanha a -10 °C. Balanço dos erros mais frequentes.
Aula 11As oito funções do BMS (medir, proteger, estimar, equilibrar, gerir a temperatura, limitar a corrente, comunicar e registar), sabendo que a célula mais fraca decide os limites de todas. Arquiteturas centralizada, modular (mestre e escravos) e distribuída. Medição de tensão (precisão de alguns mV), de corrente (shunt ou Hall) e de temperatura (NTC). Estimativa de SOC por contagem de Coulomb, por OCV e por modelos e filtros de Kalman, normalmente combinados com recalibração; exemplo de 60 % de 200 Ah que, depois de -60 Ah e +15 Ah, passa a 37,5 %. Balanceamento passivo (dissipa o excesso em resistências) e ativo (transfere energia entre células), com o exemplo de 2 Ah a 100 mA, que leva 20 h. Proteções típicas de LFP, a confirmar na folha de dados: sobretensão de célula a 3,65 V, subtensão a 2,5 V, subtemperatura de carga a 0 °C e sobretemperatura a 55 a 60 °C, em dois níveis, aviso e corte.
Aula 12CAN: par diferencial CAN_H e CAN_L, multimestre com arbitragem por identificador, até 1 Mbit/s, identificador de 11 bits e até 8 bytes por trama, terminação de 120 Ω nos dois extremos (60 Ω medidos com o barramento desligado); o CAN define o transporte e o significado dos bytes vem da tabela do fabricante. SMBus: derivado do I²C, 2 fios, 10 a 100 kHz, endereços de 7 bits e verificação de erros, usado em baterias inteligentes de pequena potência. Modbus: mestre e escravo nas variantes RTU (RS-485, CRC-16, endereços 1 a 247), ASCII e TCP (porto 502), com as funções 03, 04, 06 e 16; exemplo do registo 0x02EE = 750 com escala de 0,1 %, que dá SOC = 75,0 %; todos os nós com o mesmo débito, paridade e bits de paragem e endereços diferentes. Comparação dos três protocolos e passos de configuração: identificar protocolo e física, cablar com par entrelaçado blindado, terminar, configurar velocidade, endereço e perfil, testar com um alarme simulado e documentar.
Aula 13Arquiteturas de integração com o fotovoltaico: acoplamento DC (menos conversões, inversor híbrido obrigatório), acoplamento AC (fácil de juntar a uma instalação existente, mais conversões) e híbrido multimodo (tudo num equipamento, dependência do fabricante); exemplo de 10 kWh DC, que chegam à bateria como 9,51 kWh em DC e 9,31 kWh em AC. Compatibilidade bateria-inversor: tensão, corrente, potência, comunicação, química, funcionalidades, ambiente e requisitos de rede. Integração eólica: retificador e controlador de carga, carga de descarga (dump load) para o excesso e produção complementar à solar. Veículos elétricos: baterias de tração de 40 a 100 kWh que comunicam por CAN, bateria estacionária a moderar as pontas de carregamento, carregamento com excedente solar e V2H e V2G, que exigem carregador bidirecional, veículo compatível e garantia.
Aula 14Método de dimensionamento em dez passos, do objetivo à viabilidade, e fórmula base E_nominal = E_carga × dias ÷ (DOD × η × k_temp × k_envelhecimento), com C (Ah) = E_nominal ÷ U. Exemplo de uma moradia com 6 kWh à noite: 7,09 kWh, que dão 3 módulos de 2,56 kWh (7,68 kWh), e 8,9 kWh no fim de vida, que pedem 4 módulos (10,24 kWh). Backup com chumbo-ácido a 48 V (1,2 kW durante 4 h): cerca de 11,6 kWh e 241,5 Ah, contra cerca de 5,8 kWh em lítio. Redução de pontas de 49,5 kW sobre 34,5 kVA durante 40 min: 15 kW, 10 kWh, 11,7 kWh nominais e margem de 14 kWh, com a verificação do C-rate. Proteção em DC (a corrente contínua não passa por zero), regra Ib ≤ In ≤ Iz, poder de corte face à corrente de curto-circuito, queda de tensão baixa e paralelo de baterias. Otimização (estratégia do EMS, intervalo de SOC, dimensão económica) e retorno simples de um exemplo hipotético, cerca de 14,7 anos. Enquadramento no Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), a considerar com a versão do regulamento em vigor.
Aula 15Fase 3 do mini-projeto: cálculo da energia útil e nominal a prever de forma combinada (20 kWh de reserva para o backup mais 8 kWh de corte de ponta, 28 kWh), aplicação do DOD, do rendimento do inversor e da margem de envelhecimento, escolha do arranjo série e paralelo com os módulos de 25,6 V e 200 Ah, e verificação da corrente e do C-rate com o inversor de 10 kW. Cálculo da reserva de SOC para o backup, tendo em conta o rendimento do inversor e os 10 % que o DOD deixa no fundo. Registo dos pressupostos e das unidades na folha de cálculo.
Aula 16Fase 4 do mini-projeto: definição da configuração do BMS (BMS modular, mestre e escravos por módulo, equilíbrio passivo) com os limites por célula fornecidos: corte de carga a 3,65 V e aviso a 3,60 V, corte de descarga a 2,5 V e aviso a 2,8 V, carga bloqueada abaixo de 0 °C e alarme por sobretemperatura. Verificação, para as 64 células do conjunto, de que as tensões ficam dentro da janela de 150 V a 450 V do inversor. Escolha do protocolo: CAN entre BMS e inversor a 500 kbit/s, com duas terminações de 120 Ω (60 Ω medidos) e cabo de par entrelaçado blindado, e Modbus TCP para a monitorização. Definição do perfil de mensagens CAN em tabela (identificador, bytes e escala) e do mapa de registos Modbus.
Aula 17Fase 5 do mini-projeto: escolha da arquitetura de ligação ao fotovoltaico. A solução adota o acoplamento em corrente alternada: mantém-se o inversor fotovoltaico existente e acrescenta-se ao quadro geral um inversor de bateria de 10 kW com função de backup, porque o acoplamento DC obrigaria a substituir o inversor dos 25 kWp por um híbrido, com a desvantagem de cerca de 2 pontos percentuais de eficiência na carga. Verificação da compatibilidade bateria-inversor. Dimensionamento do circuito DC: Ib = 60 A, corrente de curto-circuito de cerca de 5,2 kA com a resistência da bateria (40 mΩ) e do cabo de 35 mm², aparelho próprio para DC com tensão estipulada de 250 V ou mais e poder de corte de pelo menos 5,2 kA, In = 63 A, verificação de Ib ≤ In ≤ Iz (60 ≤ 63 ≤ 126 A) e queda de tensão de cerca de 0,12 %. Seccionador acessível, contactor de pré-carga e paragem de emergência. Estratégia de gestão: reserva de SOC de 62 % para o backup, descarga para o corte de ponta entre as 6h e as 7h e carga com o excedente do meio-dia. Desenho do esquema unifilar de princípio.
Aula 18Níveis de monitorização (bateria, sistema e desempenho) e indicadores: autoconsumo, autossuficiência, eficiência de ida e volta e ciclos equivalentes, com o exemplo de um mês (autoconsumo de 61,7 %, autossuficiência de 80 % e eficiência de 90 %). Ferramentas: contadores inteligentes por Modbus, dataloggers, portais, EMS e SCADA, alertas e acesso remoto seguro. Segurança: choque, curto-circuito, incêndio, descontrolo térmico do lítio com gases inflamáveis e tóxicos, local ventilado, seccionamento acessível, EPI, sinalização e procedimentos de emergência. Comissionamento (inspeção, medições, verificação do BMS, teste de comunicação, alarmes e backup, registo dos valores iniciais) e manutenção (inspeção visual e térmica, apertos, ventilação, firmware, ensaio de capacidade e registo do SOH); fim de vida com SOH de cerca de 80 %, segunda vida ou operador de resíduos licenciado. Enquadramento regulamentar: Lei n.º 14/2015, de 16 de fevereiro, RTIEBT, regime do autoconsumo e ERSE, registo na DGEG, operador da rede, e as normas IEC 62619, IEC 62933, IEC 62485-5, IEC 62485-2, IEC 62109 e UN 38.3, sempre na redação em vigor. Recapitulação da unidade.
Aula 19Fase 6 do mini-projeto: definição dos indicadores de monitorização (autoconsumo, autossuficiência, eficiência de ida e volta, ciclos equivalentes, SOH e disponibilidade), dos alarmes (temperatura, SOC baixo e falha de comunicação) e do acesso remoto seguro. Plano de comissionamento (inspeção, medição de tensões e isolamento, verificação do BMS e dos limites no inversor, teste de comunicação com alarme simulado, teste de backup com a rede desligada e registo dos valores iniciais) e de manutenção. Medidas de segurança do local e obrigações regulamentares a confirmar, na redação em vigor, junto das entidades competentes: Lei n.º 14/2015, RTIEBT, DGEG, operador da rede, ERSE e normas IEC das baterias.
Aula 20Resolução e correção da Ficha 02. Ex. 1: atuação do BMS e tempo de equilíbrio passivo numa bateria 16S LFP de 280 Ah. Ex. 2: SOC por contagem de Coulomb e erro acumulado por um desvio do sensor de corrente. Ex. 3: descodificação de uma trama CAN (identificador 0x351) e medição da resistência do barramento. Ex. 4: pedido e resposta Modbus RTU e consequência de dois escravos com o mesmo endereço. Ex. 5: compatibilidade de uma bateria NMC 14S com um inversor híbrido de 42 V a 58 V. Ex. 6: arbitragem tarifária numa PME, com energia nominal, ganho e retorno simples. Ex. 7: simulação do SOC ao longo de um dia. Ex. 8: eficiência de ida e volta e ciclos equivalentes a partir da monitorização, com causas prováveis da degradação. Ex. 9: aerogerador com bateria numa casa isolada, módulos para dois dias de calmaria e carga de descarga. Balanço dos erros mais frequentes.
Aula 21Consolidação e síntese da unidade a partir da sebenta: a função decide a tecnologia, tipos de baterias e parâmetros, BMS e protocolos, integração, dimensionamento com verificação do C-rate e proteção em DC, monitorização e normas na redação em vigor. Revisão dos erros comuns e esclarecimento de dúvidas antes da entrega do dossiê e da avaliação sumativa.
Aula 22Fase 7 do mini-projeto: reunião do dossiê de projeto (memória descritiva, cálculos com unidades e pressupostos, esquema unifilar de princípio e plano de ensaios), análise económica simples com pressupostos explícitos e apresentação da solução à turma. Entrega do dossiê, avaliado pelos critérios e descritores da unidade, e reflexão final sobre porque é que o dimensionamento por pico de potência pode exigir mais bateria do que o dimensionamento por energia.
Aula 23Realização do teste de avaliação sumativa. Correção do teste e balanço final da unidade de competência.