Como escolher a melhor Gestão Térmica para Sistema BESS

A escolha do método de arrefecimento correto para os Sistemas de Armazenamento de Energia em Bateria (BESS – Battery Energy Storage System) é fundamental para a segurança, longevidade e desempenho.

Este artigo compara o arrefecimento por placa líquida e por imersão, explicando por que razão o arrefecimento por imersão está a tornar-se rapidamente a opção preferida devido à sua prevenção de incêndios incorporada, eficiência térmica e fiabilidade do sistema.

Porque é que a tecnologia de arrefecimento é importante

Os Sistemas de Armazenamento de Energia por Bateria já não são opcionais; eles são críticos. Quer se trate de estabilizar as energias renováveis na rede, de fornecer backup de emergência ou de apoiar a resiliência energética em centros de dados e frotas de veículos elétricos, a Gestão Térmica pode ser decisiva para o desempenho do sistema.

E sejamos claros: não se trata apenas de manter as coisas frias.

O controlo da temperatura afeta diretamente a segurança, a vida útil da bateria e o risco de incêndio. As baterias de iões de lítio são sensíveis ao calor. Quando funcionam demasiado quentes, a degradação acelera. Na pior das hipóteses, entram em fuga térmica, uma condição incontrolável e propensa a incêndios que se propaga de uma célula para a seguinte.

É por isso que é fundamental selecionar a estratégia de arrefecimento correta. Entre as opções mais avançadas disponíveis atualmente estão o arrefecimento por placa líquida e o arrefecimento por imersão, duas abordagens distintas que oferecem diferentes vantagens, dependendo dos requisitos do sistema.

Então, qual é a melhor? Vamos analisá-las e descobrir.

O que é arrefecimento por placa líquida?

O arrefecimento por placa líquida é exatamente o que parece. Utiliza placas de metal, normalmente de alumínio, ligadas ou integradas em módulos de bateria. Dentro destas placas, o líquido de refrigeração circula através de canais incorporados.

À medida que as baterias aquecem, as placas conduzem esse calor e transferem-no para o líquido, que o retira do sistema.

Simples em teoria. E é uma tecnologia comprovada.

Principais vantagens do arrefecimento por placas de líquido

Uma das principais vantagens do arrefecimento por placas líquidas é o facto de o sistema demonstrar estabilidade e eficiência, com resultados consistentes e amplamente implementado. Isto torna-o numa opção atrativa para os integradores que procuram uma solução comprovada com um forte desempenho térmico.

Muitas vezes, é escolhido quando a gestão de calor aprimorado é uma prioridade, mas o redesenho completo do sistema ou recursos avançados de segurança contra incêndios não são necessários.

Também é relativamente compacto e fácil de integrar em racks de bateria padrão. Uma vez que as placas são montadas diretamente nos módulos de bateria, o espaço total permanece eficiente.

Isto torna o arrefecimento por placas de líquido uma solução lógica para ambientes com restrições de espaço ou para aplicações em que a simplicidade do design é uma prioridade.

Outra vantagem é que os sistemas de refrigeração de placas de líquidas têm um bom desempenho em condições de carga moderada, em que a saída térmica é previsível e não excessiva.

Para aplicações como backup de telecomunicações, equilíbrio de rede em pequena escala ou sistemas residenciais estacionários, o arrefecimento por placas de líquido pode efetivamente manter temperaturas de funcionamento seguras.

Limitações do arrefecimento por placas de líquido

Dito isto, a refrigeração por placas líquidas tem algumas restrições importantes, especialmente quando a segurança está em jogo.

Em primeiro lugar, depende do contacto com a superfície para retirar o calor das células. Isto cria ineficiências, uma vez que o calor tem de passar da bateria através de uma camada de interface para a placa.

Se existirem lacunas, imperfeições ou pressão insuficiente, a resistência térmica aumenta. Isto leva a um arrefecimento desigual e à formação de hotspots – áreas localizadas onde as temperaturas das células aumentam.

Em sistemas de alta demanda ou alta densidade, essa fraqueza torna-se crítica. Os sistemas de arrefecimento por placas de líquido podem ter dificuldade em acompanhar as saídas térmicas. Particularmente em compartimentos compactos onde o fluxo de ar é limitado ou as temperaturas externas são elevadas.

Mais importante ainda, o arrefecimento por placas de líquido não faz nada para prevenir ou suprimir incêndios. Se a fuga térmica for desencadeada, o líquido de arrefecimento pode abrandar ligeiramente a propagação do calor, mas não oferece qualquer supressão ativa de incêndios.

Isso significa que devem ser integrados dispositivos separados de mitigação de fogos, como sistemas de extinção de incêndios por aerossóis condensados ou gás. E, em muitos casos, estes equipamentos não são ativados com rapidez suficiente para evitar danos ou a propagação do fogo.

O que é o arrefecimento por imersão?

Os sistemas de refrigeração das placas líquidas afastam o calor através de placas de metal. O arrefecimento por imersão utiliza uma abordagem diferente. Cada célula da bateria é totalmente submersa num fluido dielétrico não tóxico que retira o calor diretamente de todas as superfícies.

O sistema de gestão da bateria (SGB) faz circular ativamente o fluido em resposta ao aumento da temperatura, assegurando o equilíbrio térmico em tempo real em todo o conjunto de baterias.

É como dar a cada célula da bateria o seu próprio escudo térmico, proporcionando um arrefecimento imediato e uniforme que protege o desempenho e evita o sobreaquecimento.

Assim, este sistema proporciona uma solução totalmente integrada que aborda os riscos mais críticos no armazenamento de energia: fuga térmica, propagação de incêndios e falha em todo o sistema.

Eis o que o distingue:

• Evita a fuga térmica, mantendo as temperaturas das células consistentemente baixas e estáveis, mesmo sob tensão elétrica ou ambiental extrema.
• Impede os incêndios antes de começarem, submergindo totalmente cada célula num fluido dielétrico de ponto de inflamação elevado que remove o calor e bloqueia a exposição ao oxigénio.
• Contém e neutraliza os eventos térmicos na fonte, impedindo que estes se propaguem e causem falhas em todo o sistema.
• Otimiza as condições térmicas para prolongar a vida útil da bateria até 22%, reduzindo a degradação e preservando o desempenho a longo prazo.
• Elimina a necessidade de sistemas externos de supressão de incêndios, tais como sprays de água, gases inertes ou implantação de aerossóis, porque o sistema impede que a ignição ocorra em primeiro lugar.

Principais vantagens do arrefecimento por imersão

Segurança contra incêndios

Uma das vantagens mais significativas inerentes ao arrefecimento por imersão reside na sua segurança intrínseca contra incêndios. O fluido dielétrico é termicamente estável e isola fisicamente as células da bateria do ar, removendo um elemento chave do triângulo do fogo. Isto ajuda a evitar a ignição em primeiro lugar.

Em caso de uma falha na célula, o fluido também absorve o pico térmico e isola a célula afetada, evitando uma reação em cadeia que, de outra forma, poderia provocar um incêndio ou destruir todo o rack. Este controlo de propagação incorporado torna o arrefecimento por imersão a opção mais segura para BESS de elevada capacidade.

Gestão térmica

O arrefecimento por imersão proporciona um contacto térmico direto com todas as superfícies da bateria, proporcionando um desempenho de resfriamento superior e uma distribuição consistente da temperatura. Isto minimiza o risco de sobreaquecimento localizado e aumenta a longevidade da célula.

As baterias arrefecidas com sistemas de imersão podem durar até 22% mais do que as que utilizam métodos tradicionais. Esta vida útil alargada reduz a frequência de substituição e melhora o overall system ROI.

Eficiência energética

O arrefecimento por imersão utiliza menos 50% de energia auxiliar em comparação com os sistemas de placa líquida.

Ao submergir diretamente as células da bateria num líquido termicamente condutor, o sistema elimina a necessidade de conjuntos complexos de placas frias e reduz a energia necessária para a gestão térmica. Isto traduz-se numa maior eficiência global do sistema.

Limitações do arrefecimento por imersão

Embora o arrefecimento por imersão ofereça grandes vantagens em termos de segurança e desempenho, também tem importantes desvantagens.

Um dos principais desafios é o espaço. Uma vez que o sistema requer um reservatório de fluido e estruturas de contenção adicionais, pode reduzir a densidade energética global em comparação com soluções mais compactas.

Em aplicações onde a maximização do armazenamento de energia por metro cúbico é crítica, isto pode representar um constrangimento. 

O peso adicional do fluido e dos componentes de suporte também pode ser um fator a considerar, especialmente em instalações móveis ou sensíveis ao peso.

Os custos de capital inicial (CAPEX) são normalmente mais elevados devido à infraestrutura adicional, mas muitos operadores consideram que estes custos são recuperados ao longo do tempo através de uma menor manutenção, menor risco de incêndio e maior duração da bateria.

Comparação entre Placa de Líquido vs Arrefecimento por Imersão

Vamos analisar os números e as caraterísticas de desempenho lado a lado:

Resumo? O resfriamento por placa líquida funciona, mas o arrefecimento por imersão ganha em segurança, desempenho e valor a longo prazo.

A escolha do sistema de arrefecimento correto começa com a compreensão das exigências da sua aplicação específica.

Fatores como a densidade de energia, a localização e o risco operacional desempenham um papel importante para determinar se uma abordagem convencional ou avançada é mais adequada.

Quando utilizar o Arrefecimento por Placas de Líquido

Os sistemas de placas líquidas ainda têm um papel a desempenhar, especialmente em:

• Projetos BESS antigos em que a adaptação de novos sistemas não é viável.
• Aplicações de baixa potência onde as cargas térmicas são previsíveis.
• Instalações remotas onde as consequências de um evento térmico são menores devido à população ou infraestruturas limitadas nas proximidades.

Alguns exemplos incluem quintas solares remotas ou sistemas ligados à rede em áreas rurais onde os requisitos de tempo de atividade e segurança são menos rigorosos.

Quando utilizar o Arrefecimento por Imersão

O arrefecimento por imersão está a tornar-se rapidamente a escolha padrão para:

• Instalações BESS de alta densidade energética onde a fuga térmica deve ser ativamente evitada.
• Instalações de missão crítica, como centros de dados, centros de carregamento de VE e microrredes onde o tempo de atividade e a segurança contra incêndios são essenciais.
• Ambientes com temperaturas extremas ou condições voláteis onde os sistemas tradicionais de supressão de incêndios podem não responder com rapidez suficiente.
• Projetos liderados por empresas orientadas para a segurança que exigem a máxima resiliência do sistema, fiabilidade a longo prazo e prevenção de incêndios desde o início.
• Instalações perto de áreas povoadas onde a segurança contra incêndios e a mitigação de riscos para a comunidade são as principais prioridades.

Se a segurança, o desempenho e o design preparado para o futuro são as principais prioridades, o arrefecimento por imersão não é apenas a melhor opção, mas sim a única.

Conclusão: o Futuro é Líquido

O arrefecimento por placas de líquido continua a ser uma opção viável em determinadas aplicações em que as suas capacidades se alinham com os requisitos do sistema.

Mas os seus limites térmicos e a falta de mitigação de incêndios tornam-no uma escolha mais arriscada à medida que as exigências de energia e as expectativas de segurança aumentam.

O arrefecimento por imersão oferece a próxima evolução na segurança do armazenamento de energia.

O arrefecimento por imersão faz mais do que gerir o calor. Previne ativamente os desastres antes de começarem. Ao prolongar a vida útil da bateria e ao manter um desempenho consistente, permite um novo nível de fiabilidade do sistema.

E porque elimina as condições que permitem o início de incêndios, não há necessidade de depender de sistemas de supressão reativos para conter uma emergência.

Para as exigências energéticas de hoje e as normas de segurança de amanhã, o arrefecimento por imersão não é apenas uma atualização. É uma necessidade.