Como adaptar um sistema fotovoltaico existente para o uso com baterias?

O Brasil vive hoje um cenário energético ruim – o nível das hidrelétricas é o menor em décadas, o custo das termelétricas é o mais elevado, e o país se prepara para sair da recessão causada pelo coronavírus. Todos esses fatores fazem com que a ANEEL se veja obrigada a aumentar a tarifa de energia e das bandeiras para desincentivar o consumo e reduzir os riscos de o país enfrentar racionamentos e apagões.

É natural, então, esperar que haja um aumento na procura por sistemas fotovoltaicos com capacidade de operar de forma híbrida para prover redução da conta de energia em postos tarifários mais caros ou até que possam operar como backup durante faltas de energia.

O que fazer para clientes que já têm sistemas fotovoltaicos instalados? Felizmente, não é necessário instalar um novo projeto “do zero” para prover para um sistema já instalado a capacidade de operar com baterias. É possível adaptar sistemas já existentes com a adição de alguns componentes para os casos mais simples ou a substituição de inversores em casos mais complexos.

Neste artigo estudaremos as maneiras de tornar um sistema fotovoltaico já existente em um sistema que possa operar com baterias e que possa prover os benefícios dos sistemas hibridizados.

Aplicações de sistemas híbridos

Hoje não há uma uma regulamentação clara por parte da ANEEL sobre como a bateria dos sistemas híbridos pode interagir com a rede – ela pode ser carregada pela rede pública? Pode injetar energia na rede pública a qualquer momento? É esperado que num futuro próximo, quando houver uma atualização das REN 482 e 687, que essas questões fiquem mais claras.

Por ora, recomenda-se que os sistemas híbridos instalados não tenham interação da bateria diretamente com a rede pública, isto é, que a bateria seja carregada somente pelo solar e que descarregue somente para alimentar cargas numa rede de backup (operando off-grid), para fornecer energia para cargas internas ou de forma ilhada desde que haja alguma espécie de quadro de transferência para evitar que a rede externa fique energizada em momentos de falta de energia.

Adaptando sistemas existentes

Tanto a solução de backup quanto a solução de usar baterias para aliviar consumo no pico podem ser implementadas de duas maneiras: uma rede CA interna derivada e controlada pelo próprio inversor, ou a criação de uma microrrede.

Por questões de segurança nunca podemos deixar as baterias alimentarem a rede pública num momento de falta de energia. Logo, se quisermos ter parte da nossa instalação funcionando durante uma queda de energia, vamos precisar de algum mecanismo para evitar a injeção de energia na rede.

As Figuras 1 e 3 a seguir ilustram as duas topologias que podemos usar para montar uma rede de backup: a controlada pelo inversor híbrido e a microrrede.

Na topologia da Figura 1, todo o fluxo de energia passa pelo inversor híbrido. Quando está conectado à rede elétrica convencional, o inversor opera no modo on-grid, injetando na rede elétrica a energia retirada dos painéis solares e mantendo as baterias carregadas.

Por outro lado, quando a rede elétrica convencional falha, o inversor híbrido da Figura 1 passa a operar no modo off-grid, fazendo a função de um nobreak (sistema de backup).

O inversor fornece tensão à saída CA de backup (veja a Figura 2), alimentando cargas críticas que são previamente escolhidas para estarem ligadas a esta saída. Neste caso, a energia proveniente dos painéis solares e das baterias é direcionada para esta saída.

A topologia ilustrada na Figura 3, diferentemente daquela ilustrada na Figura 1, não necessariamente emprega inversores híbridos (ou seja, que têm entradas para painéis solares e baterias).

Esta topologia pode ser construída com a formação de microrredes que operam de forma ilhada (desconectada da rede elétrica convencional) com dois tipos de inversores: o formador de rede (que usa baterias) e o inversor solar on-grid tradicional.

Na topologia da Figura 3 o inversor de baterias pode operar em dois modos: on-grid ou off-grid. No modo on-grid o inversor simplesmente conecta-se à rede e faz o carregamento ou descarregamento das baterias, conforme uma programação ou uma estratégia pré-configurada no equipamento (por exemplo, realizando fornecimento de energia das baterias no horário de pico). No modo off-grid o inversor passa a operar como fonte de tensão, sustentando a microrrede de forma isolada da rede elétrica convencional.

Em resumo, para a operação com baterias e o upgrade de sistemas fotovoltaicos já existentes podemos usar dois tipos de inversores diferentes:  um inversor de baterias, que é um equipamento que não tem interface com o painel solar, mas pode carregar e descarregar a bateria através da rede CA, e o inversor híbrido (solar+bateria) com saída CA de backup.

A solução com inversor de bateria é a mais fácil de ser aplicada, pois pode ser integrada a qualquer instalação, mesmo as que não possuem inversor solar.

Alguns fabricantes de inversores solares inclusive fabricam inversores para baterias que podem se comunicar entre si para permitir a elaboração de estratégias mais complexas – como, por exemplo, priorizar o carregamento de baterias em um horário específico e programar para a bateria descarregar num outro horário específico.

Para este tipo de solução recomenda-se que se instale um medidor de fluxo de energia para a melhor decisão sobre os momentos de carga e descarga. Já a segunda solução, que é um pouco mais trabalhosa para sistemas já em operação (pois requer a substituição do inversor já existente), é a instalação de um inversor solar com capacidade de operar simultaneamente com baterias e painéis solares.

Esses inversores híbridos já têm internamente toda a eletrônica necessária para a integração da bateria à rede. A vantagem dessa solução é que em obras novas, reduz-se o custo e torna-se mais simples a instalação do que na solução com inversor de baterias em separado – especialmente em sistemas de pequena potência.

Um sistema com baterias será evidentemente mais oneroso do que um sistema sem baterias. Porém, temos que levar em conta os benefícios diretos e indiretos do armazenamento de energia.

Como benefício direto podemos citar a diminuição do custo da tarifa em situações de consumo em horário de ponta, bem como a mitigação de possíveis custos relacionados à parada de produção ou à perda de produtos que precisam ser permanentemente refrigerados, por exemplo.

Como benefício indireto temos o conforto de poder utilizar energia elétrica a qualquer hora, com segurança e confiabilidade, sem exposição aos riscos de apagão ou aos aumentos das tarifas de energia elétrica.