12
vozes do mercado
as vantagens das baterias de iões de lítio para UPS
José Soares EMS Business Leader & Consultant Schneider Electric Portugal
As baterias de iões de lítio, também denominadas de iões-lítio ou li-ion, são já familiares pela sua utilização entre dispositivos móveis como smartphones, tablets, computadores portáteis, entre vários outros. Estas baterias oferecem muitas vantagens e quando comparadas com baterias tradicionais, têm uma maior capacidade de armazenamento energético, menor peso e dimensão. Todavia, a sua utilização em aplicações de maiores dimensões, como UPS (Sistema de Alimentação Ininterrupta), backups ou veículos elétricos é relativamente recente: o seu rendimento e otimização de custos ocorre, de forma cada vez mais evidente e os fabricantes começam a preparar os seus produtos para este tipo de baterias. O fluxo constante e ininterrupto de energia é uma necessidade na gestão de datacenters e infraestruturas de TI. Para estes casos, as soluções mais recomendadas são as UPS trifásicas, com maiores capacidades, superiores a 10 kVA. Utilizar baterias de iões de lítio em vez das habituais VRLA pode melhorar alguns aspetos que pressupõem desafios para a gestão de UPS, como o espaço ou a capacidade de armazenamento, entre outros. A principal diferença entre uma bateria de iões de lítio e uma bateria de ácido de chumbo selada e regulada, ou um VRLA que é mais comum em equipamentos do tipo UPS, é a composição química dos materiais utilizados nos elétrodos e eletrólitos. A maioria das baterias atuais de iões de lítio utilizam um óxido metálico para o cátodo e um material à base de carbono para o ânodo. A solução eletrolítica é um sal de lítio dissolvido num dissolvente orgânico. Uma bateria de ácido de chumbo, em oposição, utiliza um dióxido de chumbo no cátodo, um ânodo de chumbo e uma forma de ácido sulfúrico como eletrólito. Esta química determina a capacidade de rendimento da bateria. Na realidade, o mercado tem uma variedade de baterias à base de lítio, onde a química, a dimensão, os intervalos de tensão, o formato e o tipo de conetores variam. Neste sentido, os fabricantes de sistemas de alimentação ininterrupta devem selecionar o desenho e a www.oelectricista.pt o electricista 64
qualidade apropriada segundo a aplicação e assegurar, ao mesmo tempo, que as caraterísticas do seu sistema estejam disponíveis. A química e a estrutura diferenciadoras oferecem vantagens face às baterias mais tradicionais. As baterias de iões de lítio apresentam menores dimensões, recarregam mais rapidamente e têm uma vida útil duas vezes superior às baterias de ácido chumbo. Estas sim, são mais dispendiosas (de 1,5 a 3 vezes mais) pelo que a sua rentabilidade é mais evidente: uma bateria de iões de lítio pode durar entre 10 a 15 anos, comparativamente com os 4 a 6 anos das baterias comuns. Desta forma, um sistema com iões de lítio apenas precisará de uma, ou nenhuma, substituição ao longo do seu ciclo de vida, reduzindo custos de manutenção, enquanto as baterias tradicionais necessitarão, pelo menos, de 2 ou 3 mudanças. Uma análise de 2016 da Schneider Electric demonstrou que, geralmente, os sistemas UPS com baterias de iões de lítio apresentam poupanças projetadas sob o custo total de propriedade (TCO) entre 10% a 40%, relativamente a um sistema VRLA, num período de 10 anos. Apesar do custo inicial das baterias de iões de lítio ser superior, a diferença de preço é significativamente reduzida e, também relativamente a dados operacionais (OPEX), o sistema de iões de lítio tem outras vantagens. Embora os fabricantes recomendem temperaturas de armazenamento de 20ºC para expandir a vida do equipamento, a bateria de iões de lítio pode funcionar também em temperaturas mais elevadas (40ºC), ao contrário das baterias de ácido de chumbo (cuja durabilidade é reduzida a temperaturas elevadas). Tal permitiria poupanças energéticas adicionais ao reduzir as necessidades de arrefecimento do equipamento. Como os sistemas de baterias de iões de lítio são entre 50-80% mais pequenos, este espaço poderia ser utilizado de forma mais produtiva, uma vez que reduz as necessidades de arrefecimento, poupando em custos de capital e custos operacionais. Adicionalmente, as baterias de iões de lítio recarregam cerca de 7 vezes mais rápido, contra as 6-12 horas das VRLA e os seus requisitos de manutenção são sensivelmente mais baixos. O “efeito de memória” da bateria não é preocupante, nem é necessário calibrar o tempo de execução periodicamente. Podem chegar até mais de 1000 ciclos, ou mesmo a 5000 em alguns casos, ao longo do seu ciclo
de vida, enquanto que as VRLA comuns duram entre 200 e 400 ciclos. Outro aspeto que suscitava algumas dúvidas era a segurança e a instabilidade das baterias de iões de lítio. Todas as baterias armazenam elementos químicos, pelo que por definição todas são potencialmente perigosas caso não sejam manipuladas corretamente. Concretamente, as baterias de iões de lítio são especialmente sensíveis a sobrecargas. Porém, muitos progressos foram alcançados, convertendo-as em baterias mais seguras, ao mesmo nível de outros tipos de baterias de utilização comum, graças a alterações na química e na estrutura interna da bateria, tornando-a mais estável. Além disso, os processos de produção estão mais definidos e os materiais utilizados são mais duradouros. A ampla utilização de baterias de lítio em centenas de milhões de dispositivos eletrónicos portáteis, como smartphones ou tablets, demonstra o seu nível de segurança. Todas as baterias de lítio incluem ainda um sistema de gestão de baterias ou Battery Management System – BMS. Os microprocessadores, sensores, interruptores e os seus circuitos suportam este sistema e monitorizam constantemente a temperatura da bateria, o nível e a percentagem e a carga para proteger contra curto circuitos e sobrecargas. Desta forma, o BMS proporciona às UPS e ao utilizador uma informação precisa sobre o estado da bateria, a saúde e o tempo de operação disponível. Os sistemas de gestão de baterias estão aprovados e comprovados para evitar que as baterias se sobrecarreguem e sobreaqueçam. Definitivamente, a tecnologia das baterias de iões de lítio evoluiu de modo a serem financeiramente viáveis e seguras em grandes aplicações como no caso das UPS e dos datacenters. As vantagens e poupanças destes custos operacionais estão comprovados e, sem sombra de dúvida, veremos como ambos aumentam a curto prazo.