Mini-Projecto · Projetar o armazenamento de energia de uma PME com fotovoltaico
Contexto
Uma PME de panificação (cliente fictício) tem um pavilhão com forno elétrico, câmaras frigoríficas e uma instalação fotovoltaica de 25 kWp em autoconsumo. O consumo médio é de cerca de 180 kWh por dia e a produção solar média ronda os 100 kWh por dia, com excedente ao meio-dia. Todas as manhãs, durante cerca de 1 h, o arranque simultâneo de fornos e amassadoras (entre as 6h e as 7h) faz subir a potência até aos 42,5 kW, acima dos 34,5 kVA de potência contratada (cerca de 34,5 kW, com cosφ próximo de 1), o que dispara o limitador de potência ou obrigaria a contratar um escalão superior. Numa falha de rede, as cargas críticas (câmaras frigoríficas, iluminação de segurança e comunicações) somam 4 kW e têm de ser mantidas durante 5 h.
Foste contratado/a como projetista de instalações elétricas para propor uma solução de armazenamento que corte o pico da manhã, garanta o backup das cargas críticas e aproveite o excedente solar. O projeto deve comparar tecnologias, dimensionar o sistema, definir a configuração do BMS e dos protocolos de comunicação, prever a integração com o fotovoltaico, a monitorização e a segurança, e identificar o enquadramento regulamentar a confirmar.
Trabalhas individualmente ou a pares, com folha de cálculo e com os dados de partida da secção seguinte, e entregas um dossiê de projeto com memória descritiva, cálculos, esquema unifilar de princípio e plano de ensaios.
Dados fornecidos (valores hipotéticos)
Os dados seguintes bastam para fazer todo o projeto. Qualquer outro valor que uses tem de ser indicado como pressuposto no dossiê.
| Item | Dados |
|---|---|
| Instalação e perfil | Fotovoltaico de 25 kWp; consumo de 180 kWh por dia; produção de 100 kWh por dia, com máximo ao meio-dia; potência contratada de 34,5 kVA (cosφ próximo de 1); pico de 42,5 kW entre as 6h e as 7h; cargas críticas de 4 kW durante 5 h |
| Módulo de bateria LFP | 25,6 V (8 células de 3,2 V), 200 Ah, 5,12 kWh; 0,5 C contínuo máximo; DOD máximo de 90 %; carga proibida abaixo de 0 °C; limites por célula: corte de carga 3,65 V (aviso 3,60 V), corte de descarga 2,5 V (aviso 2,8 V); sobretemperatura a 55 a 60 °C; resistência interna do conjunto de 64 células: 40 mΩ; BMS por módulo com comunicação CAN |
| Inversor de bateria trifásico | 10 kW; entrada só de bateria, não recebe os painéis; janela de tensão da bateria de 150 V a 450 V; corrente máxima de carga e de descarga de 60 A; comunicação CAN (500 kbit/s) e Modbus TCP; função de backup com transferência automática das cargas críticas |
| Chumbo-ácido estacionário | 2 V por célula; blocos de 12 V e 200 Ah à taxa de 10 h; DOD máximo de 50 %; 1200 ciclos a esse DOD; eficiência de ida e volta de 75 % a 85 % |
| Hidrogénio | eletrolisador de 55 kWh por kg; célula de combustível PEM de 50 % de eficiência; eficiência global de ida e volta de cerca de 30 % |
| Supercondensador | células de 3000 F e 2,7 V |
| Cabo de ligação | cobre de 35 mm², 5 m (10 m de ida e volta), resistividade 0,0178 Ω·mm²/m; corrente admissível Iz = 126 A para o modo de instalação previsto, já corrigida |
| Preços e ganhos | bateria LFP a 450 € por kWh nominal; inversor a 3000 €; instalação, proteções, cabos e comissionamento a 600 €; ganho de 0,15 € por kWh deslocado, com 3000 kWh por ano deslocados; poupança por evitar subir de escalão de potência: 1200 € por ano |
O perfil de mensagens CAN não vem dado: define-o no dossiê, em tabela (identificador, bytes, escala), como se faz na ficha 2.
Requisitos
Funcionais
- Levantar os dados de partida: perfil de carga, produção, picos, cargas críticas e restrições do local.
- Comparar pelo menos três tecnologias de armazenamento (por exemplo, chumbo-ácido, lítio LFP e hidrogénio ou supercondensadores) e selecionar uma, justificando com critérios técnicos.
- Dimensionar a energia nominal, a potência do inversor, o arranjo série/paralelo e a corrente, verificando o C-rate.
- Verificar a compatibilidade entre a bateria e o inversor de bateria (tensão, corrente, comunicação e funcionalidades).
- Definir a configuração do BMS (limites de tensão, corrente e temperatura, balanceamento) e o protocolo de comunicação (CAN e/ou Modbus), incluindo terminação e parâmetros.
- Definir a estratégia de gestão (reserva de SOC para backup, corte de ponta, prioridade ao autoconsumo).
- Dimensionar proteções e cabos em corrente contínua (pelo menos um circuito: corrente admissível do cabo, queda de tensão, corrente de curto-circuito e poder de corte da proteção).
- Propor indicadores de monitorização e um plano de comissionamento.
- Estimar a viabilidade económica simples com pressupostos explícitos.
Não-funcionais
- Documentos organizados, com nomenclatura consistente (versão, data, autor).
- Cálculos com unidades e hipóteses indicadas, de modo a poderem ser refeitos.
- Preocupação com segurança (local, ventilação, proteções, EPI) em todas as fases.
- Referência ao enquadramento regulamentar (Lei n.º 14/2015, RTIEBT, regime do autoconsumo, ERSE e DGEG, normas de baterias) sempre na redação em vigor, sem citar valores de memória.
- Linguagem técnica clara, em português europeu.
Fases
Fase 1 · Levantamento e objetivos (2h) Analisar o caso, extrair os dados de partida, definir os objetivos mensuráveis (cortar o pico a 34,5 kW, manter 4 kW durante 5 h) e as restrições do local.
Fase 2 · Seleção da tecnologia (3h) Comparar pelo menos três tecnologias em densidade, eficiência, ciclos, segurança, custo e adequação à função; escolher e justificar.
Fase 3 · Dimensionamento (4h) Calcular a energia útil e nominal, a potência do inversor, o arranjo da bateria, a corrente e o C-rate; aplicar DOD, eficiência e margem de envelhecimento; calcular a reserva de SOC para o backup.
Fase 4 · BMS e comunicação (3h) Definir os limites do BMS, o balanceamento e o protocolo de comunicação com o inversor (terminação, débito, endereços, perfil de mensagens).
Fase 5 · Integração, proteções e cabos (3h) Escolher a arquitetura de ligação ao fotovoltaico, verificar a compatibilidade com o inversor, dimensionar proteções e cabos DC (corrente admissível, poder de corte, queda de tensão), e desenhar o esquema unifilar de princípio.
Fase 6 · Monitorização, segurança e regulamentação (3h) Definir indicadores, alarmes, plano de comissionamento e manutenção; identificar as obrigações regulamentares a confirmar e as medidas de segurança do local.
Fase 7 · Dossiê e apresentação (2h) Reunir memória descritiva, cálculos, esquema e plano de ensaios; apresentar a solução e a análise económica à turma.
Critérios de avaliação
| Critério | Peso |
|---|---|
| Levantamento de dados e objetivos | 10% |
| Seleção e justificação da tecnologia | 15% |
| Dimensionamento (energia, potência, C-rate) | 25% |
| BMS e protocolos de comunicação | 15% |
| Integração, proteções e cabos | 15% |
| Monitorização, segurança e regulamentação | 15% |
| Dossiê e apresentação | 5% |
Erros comuns
- Dimensionar apenas pela energia, ignorando a potência necessária para o corte de ponta e o C-rate.
- Esquecer a reserva de SOC para o backup na estratégia de gestão, ou calculá-la dividindo a energia da carga pela energia utilizável, sem o rendimento do inversor nem os 10 % que o DOD deixa no fundo.
- Aplicar o DOD mas esquecer o rendimento do inversor, o SOH e a temperatura.
- Escolher a bateria e o inversor sem verificar a janela de tensão e o perfil de comunicação.
- Usar aparelhos de proteção para AC em circuitos DC.
- Escolher a proteção só pela corrente, sem verificar a tensão em DC, o poder de corte face à corrente de curto-circuito e a corrente admissível do cabo (Ib ≤ In ≤ Iz).
- Terminar mal o barramento CAN ou configurar débitos diferentes nos equipamentos.
- Propor hidrogénio onde uma bateria resolve o problema.
- Citar números de diplomas ou limites de memória em vez de remeter para o texto em vigor.
- Apresentar o retorno económico sem pressupostos.
Bónus (opcional)
- Comparar a solução em acoplamento AC e DC em eficiência anual, com os dados de produção.
- Propor uma segunda fase com carregamento de veículos elétricos e calcular o impacto na potência.
- Simular, numa folha de cálculo, o SOC ao longo de um dia típico com a estratégia proposta.
- Criar uma lista de verificação de manutenção anual para a instalação.
Reflexão
No dossiê final, responde: porque é que o dimensionamento por pico de potência pode exigir mais bateria do que o dimensionamento por energia? E descreve uma decisão do projeto (tecnologia, arquitetura ou configuração do BMS) que mudarias se o cliente pedisse 10 h de backup em vez de 5 h, justificando com cálculos.