As concessionárias e plantas industriais dependem de energia de backup confiável e resiliente em caso de interrupção da rede. A tecnologia de bateria é um elo crucial na cadeia, atuando como a principal fonte de armazenamento e liberação de energia para fontes de alimentação ininterruptas e para outras aplicações. As baterias de chumbo puro, como o chumbo puro de placa fina (tppl), surgiram como uma tecnologia comprovada para instalações essenciais, mas devem ser dimensionadas e mantidas corretamente. Este guia eletrônico explica as vantagens das baterias tppl para aplicações industriais e de serviços públicos e fornece uma abordagem de práticas recomendadas para implementar essas soluções para maximizar a disponibilidade e reduzir os custos ao longo da vida útil.
COMO A MODERNA TECNOLOGIA DE BATERIA DE CHUMBO PURO DE PLACA FINA FORNECE A CHAVE
INTRODUÇÃO
As baterias são vitais para o fornecimento flexível de energia dentro de plantas industriais e de serviços públicos.
Em subestações elétricas, por exemplo, as baterias fornecem backup crítico como parte de uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) em caso de falha da rede, garantindo a operação contínua do equipamento. Eles também podem ser usados para outras atividades, como nivelamento de carga e corte de pico, e para integrar energia renovável de fontes imprevisíveis, como parques eólicos.
Enquanto isso, as baterias também são usadas em uma ampla gama de aplicações em fábricas em todo o mundo. Eles podem potencialmente fornecer um meio altamente eficaz de armazenamento de energia para redução da demanda de pico durante os horários de pico, reduzindo os custos de eletricidade.
Em suma, as baterias são vistas como uma tecnologia testada e confiável que pode fornecer energia flexível, confiável e sustentável sob demanda em serviços públicos e aplicações industriais. A pesquisa mostra que o mercado de baterias para aplicações como serviços públicos e industriais foi avaliado em US$ 21,2 bilhões em 2023 e deve chegar a US$ 34,7 bilhões até 2029 – a uma taxa de crescimento composta anual de 10,3%. As baterias são um grande negócio e permanecerão assim à medida que os usuários finais industriais e de serviços públicos procuram cada vez mais eletrificar suas operações.
Este guia eletrônico fornece uma explicação oportuna das vantagens das baterias para aplicações industriais e de serviços públicos, concentrando-se especificamente em produtos químicos de chumbo puro bem estabelecidos, como o chumbo puro de placa fina (TPPL). Ele também fornece uma abordagem de melhores práticas para implementar essas baterias em instalações industriais e de serviços públicos para obter disponibilidade máxima e reduzir os custos ao longo da vida útil.
BATERIAS INUNDADAS TÊM SUAS DESVANTAGENS
Historicamente, para usuários de bateria que precisam de um flutuador de espera - onde uma carga flutuante é usada para manter constantemente as baterias em um estado de carga total para que estejam prontas para responder a quaisquer interrupções no fornecimento de rede - a vida útil das baterias foi considerada o critério mais importante. Até agora, a maioria dessas aplicações dependia principalmente do uso de baterias convencionais de chumbo-ácido inundado, como baterias de chumbo-ácido ventiladas (VLA). Embora essas baterias tenham apelo em termos de longevidade, algumas desvantagens estão se tornando mais aparentes.
Em primeiro lugar, embora a densidade de energia necessária possa ser alcançada dimensionando corretamente as baterias VLA, as baterias TPPL têm maior densidade de energia e fornecem mais energia para a mesma pegada. Esta é uma consideração importante para implementações cada vez mais restritas em instalações industriais e de serviços públicos.
Em segundo lugar, a ventilação é necessária para tipos de bateria inundados, que podem ter implicações de layout. As baterias inundadas também requerem manutenção periódica, com o eletrólito precisando ser reabastecido regularmente. Finalmente, as baterias TPPL aceitam recarga mais rápida do que o VLA, o que é útil se ocorrerem novas interrupções em estreita sucessão.
Assim, os operadores de serviços públicos e plantas industriais agora estão procurando outros tipos de baterias industriais que combinam longevidade, densidade de energia e baixa manutenção. Consequentemente, as baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula (VRLA), particularmente TPPL, estão encontrando apelo nesta categoria.
ENTENDENDO A MUDANÇA PARA A TPPL
O desenvolvimento de baterias VRLA superou muitas das limitações do VLA. Ao incorporar separadores de tapete de vidro absorvente (AGM) entre seus eletrodos, a VRLA conseguiu mitigar as perdas de água eletrolítica (e o esforço de manutenção que vem com isso). Essas baterias também atingem densidades de energia consideravelmente mais altas do que as células VLA (inundadas) e têm requisitos de ventilação muito mais baixos, o que significa que as baterias podem ser instaladas ao lado do equipamento que alimentam. As baterias VRLA não precisam mais ser mantidas na vertical, mas podem ser orientadas conforme a aplicação exigir. Como a possibilidade de derramamento de eletrólitos é eliminada, eles são mais fáceis de transportar.
As baterias iniciais usavam grades compostas por materiais como chumbo-cálcio (que ainda são usados em algumas aplicações hoje). No entanto, é importante observar que a integridade da rede nas baterias de chumbo-cálcio e TPPL se deteriora com o tempo devido à corrosão. A principal diferença está no mecanismo e na taxa de corrosão; as grades de chumbo-cálcio tendem a corroer mais rapidamente do que o TPPL devido ao seu tamanho de grão e inclusões.
O advento da tecnologia TPPL avançou significativamente as baterias VRLA de outras maneiras. A espessura reduzida das placas nas baterias TPPL permite que elas sejam compactadas juntas, proporcionando uma grande área de superfície reativa e baixa resistência interna, o que, por sua vez, aumenta as densidades de energia. Como resultado, as baterias TPPL podem ser recarregadas rapidamente e são capazes de fornecer altos picos de corrente sem qualquer queda de tensão.
AS BATERIAS TPPL PODEM SER RECARREGADAS RAPIDAMENTE E SÃO CAPAZES DE FORNECER ALTOS PICOS DE CORRENTE SEM QUALQUER QUEDA DE TENSÃO, AS BATERIAS TPPL TAMBÉM SÃO LIVRES DE MANUTENÇÃO.
As baterias TPPL também são livres de manutenção. Eles são equipados com válvulas de alívio de pressão que permitem a recombinação de gases e abrem somente quando a pressão interna excede um limite predeterminado. Ao contrário de alguns outros tipos de bateria, as baterias TPPL não possuem tampas ou aberturas removíveis para adição de água, pois não precisam ser reabastecidas com água – o que elimina a manutenção e ajuda a reduzir o consumo de água. Outra vantagem é a tecnologia AGM, que absorve o eletrólito em um separador de manta de vidro entre as placas. Este design evita que o eletrólito evapore ou derrame, eliminando a necessidade de reabastecimento.
Além disso, suas emissões de gases são extremamente baixas. Eles têm um ciclo de vida longo, especialmente quando submetidos a microciclos repetidos de descarga seguidos de operação parcial do estado de carga, em prontidão para a próxima interrupção. Baixas taxas de autodescarga também permitem o armazenamento da bateria por longos períodos.
COMO DIMENSIONAR CORRETAMENTE AS SOLUÇÕES TPPL
O design inerente das baterias TPPL permite que usuários industriais e de serviços públicos selecionem e instalem uma solução que pode oferecer vários benefícios, incluindo vida útil prolongada, melhor aceitação de carga, alta confiabilidade e construção robusta, maximizando o tempo de atividade e reduzindo a manutenção. Essa seleção pode facilitar muito a vida dos engenheiros de manutenção e outros membros da equipe prática nessas fábricas. A adoção da TPPL pode aumentar a resiliência, diminuir o risco, oferecer melhores custos ao longo da vida útil e utilizar melhor os recursos das equipes de manutenção.
Vejamos como a adoção de baterias TPPL pode oferecer benefícios de desempenho em aplicações industriais e de serviços públicos com mais detalhes. O primeiro ponto da jornada vem com o dimensionamento correto do design. Com muitos anos de experiência em baterias, a EnerSys conta com equipes técnicas altamente competentes e experientes para ajudar a orientar os usuários finais na seleção de produtos mais adequada. Essa abordagem colaborativa garante que os sistemas de bateria otimizados sejam dimensionados corretamente para suas aplicações. Essas equipes de suporte adotam uma abordagem independente de tecnologia para a especificação da bateria, com um amplo portfólio que garante que a bateria correta, não qualquer bateria, seja escolhida.
Além disso, as ferramentas de dimensionamento de bateria online fornecem um ponto de partida informado. Essas ferramentas - juntamente com as calculadoras de Pegada de Carbono e Custo Total de Propriedade (TCO) - podem determinar as melhores opções de configuração para racks, acessórios e vários layouts de sala. Isso é especialmente importante em instalações industriais e de serviços públicos, onde o espaço é limitado e as condições ambientais podem variar consideravelmente.
A EnerSys tem um longo histórico nos mercados de serviços públicos e industriais, por isso desenvolveu um conhecimento abrangente das tecnologias de baterias. As equipes técnicas são incentivadas a construir relacionamentos duradouros e trabalhar em parceria com os usuários finais. Esse relacionamento de "consultor confiável" garante que os usuários finais escolham arquiteturas de bateria adequadas na configuração adequada para qualquer implantação.
FACILITANDO A VIDA DAS EQUIPES DE MANUTENÇÃO
Uma vez selecionadas e instaladas em campo, as baterias TPPL podem suportar atividades de manutenção mais simplificadas, melhorando a eficiência das operações gerais do local. Normalmente, os gerentes de manutenção e operadores são pessoas ocupadas. Eles desempenham um papel prático extraordinariamente diversificado, realizando inspeções de rotina e manutenção preventiva para várias estratégias e cronogramas no local. As baterias são apenas parte de uma complexa teia de tecnologias interconectadas. E quando eles têm um desempenho inferior ou falham, é necessário esforço e recursos demorados para colocá-los online novamente.
Gerenciar a logística de cronogramas de manutenção, especialmente para sistemas de grande escala, como usinas de energia ou fábricas, pode ser extremamente desafiador. Portanto, a operação livre de manutenção das baterias TPPL é uma consideração crítica. Como mencionado anteriormente, suas características inerentes ao design significam que não requerem rega regular ou verificações de eletrólitos, reduzindo a necessidade de visitas de manutenção no local. Essa característica reduz significativamente a frequência de 'deslocamentos de caminhões' de empreiteiros externos ao local, minimizando a interrupção logística das operações e reduzindo os custos de manutenção a longo prazo. De fato, estima-se que o TPPL possa oferecer até 50% de economia de custos de manutenção em comparação com as baterias inundadas tradicionais ao longo de sua vida útil, além do benefício de sustentabilidade associado criado pela redução de 'rolos de caminhão'.
AS VANTAGENS DA VIDA ÚTIL COMPROVADA EM CAMPO
A TPPL também oferece uma vida útil mais longa comprovada em campo do que as baterias tradicionais de chumbo-cálcio. Menos peças de reposição podem equivaler a um TCO aprimorado. Por exemplo, as trocas de baterias TPPL são normalmente registradas em 8-9 anos, em comparação com 3-5 anos para outras tecnologias. Esses fatores significam que as baterias TPPL requerem substituição com menos frequência depois de instaladas, reduzindo a necessidade de visitas externas ao local e o tempo de inatividade associado. Essas são considerações essenciais para as equipes de manutenção, cujos recursos podem ser melhor utilizados em outro lugar.
ESSA INOVAÇÃO DE DESIGN SIGNIFICA QUE AS BATERIAS TPPL PODEM ATINGIR NÍVEIS DE CAPACIDADE MAIS ALTOS E TEMPOS DE EXECUÇÃO MAIS LONGOS COM UNIDADES MENORES, MESMO COM O AUMENTO DAS TAXAS DE DESCARGA, TORNANDO-AS MAIS EFICIENTES E DURÁVEIS DO QUE AS BATERIAS DE CHUMBO-ÁCIDO TRADICIONAIS.
A TPPL oferece um avanço significativo na tecnologia de chumbo-ácido VRLA, reduzindo a corrosão da rede, um problema comum que leva à redução da vida útil e do desempenho da bateria.
Nas baterias de chumbo-ácido tradicionais, a grade positiva, feita de chumbo ou ligas de chumbo, suporta o Material Ativo Positivo (PAM) da bateria e conduz eletricidade. No entanto, esta grade é propensa à corrosão devido à sua operação em um ambiente de ácido sulfúrico, levando a uma perda de condutividade e um aumento no volume da grade à medida que o chumbo se converte em óxidos de chumbo menos densos. Essa corrosão reduz a capacidade da bateria de conduzir corrente e causa crescimento físico da rede, o que pode interromper o contato elétrico entre o PAM e a rede, resultando em falha da bateria. Fatores como tensão de flutuação, temperatura e, particularmente, a pureza do chumbo influenciam a taxa de corrosão, com o chumbo de alta pureza apresentando uma taxa de corrosão mais lenta do que o chumbo ligado com elementos como o cálcio.
A tecnologia TPPL utiliza chumbo de alta pureza para a construção das grades da bateria, retardando significativamente o processo de corrosão e mantendo a integridade e a condutividade da rede ao longo do tempo. Essa tecnologia permite grades mais finas e, portanto, eletrodos mais finos, aumentando o número de eletrodos que podem caber dentro de uma célula e aumentando a área de superfície reativa e a eficiência da utilização do material ativo. Essa inovação de design significa que as baterias TPPL podem atingir níveis de capacidade mais altos e tempos de execução mais longos com unidades menores, mesmo com o aumento das taxas de descarga, tornando-as mais eficientes e duráveis do que as baterias de chumbo-ácido tradicionais que dependem de grades mais espessas para compensar a corrosão rápida.
RECARGA RÁPIDA PARA OPERAÇÕES RESILIENTES
A TPPL também oferece outras vantagens de desempenho técnico, resultando em operações mais eficientes dentro de instalações industriais e de serviços públicos. Por exemplo, eles normalmente têm aceitação de carga superior do que as baterias de chumbo-ácido tradicionais. Eles podem recarregar com mais eficiência e eficácia, garantindo que as baterias estejam prontas para fornecer energia sem tempos de carregamento prolongados ou tensão excessiva nos sistemas de carregamento.
Com uma área de superfície reativa maior disponível, a TPPL oferece a oportunidade de reduzir o tempo de recarga de uma bateria UPS após um evento de descarga (desde que haja corrente de recarga adequada disponível). Os produtos TPPL, como a série de baterias PowerSafe® SBS, não requerem limitação de corrente, desde que a tensão de carga seja regulada adequadamente. As baterias com tecnologia TPPL aceitam prontamente 1C (100A para uma bateria de 100 Ahr) até que se aproxime de 80 a 85% do estado de carga (SoC), mantendo um nível muito alto de eficiência energética. Isso significa que a bateria pode atingir 80% SoC em cerca de 50 minutos após uma descarga total (e 100% SoC em menos de 2,5 horas). Sob a condição mais típica de descarga inferior à total, os tempos de recarga esperados serão menores.
Enquanto isso, as baterias TPPL também são muito eficientes na carga flutuante devido à menor resistência interna. Operar com uma corrente de flutuação mais baixa do que as baterias de chumbo-ácido convencionais reduz o consumo de eletricidade, diminuindo assim as emissões de Escopo 2 para o usuário final.
MATERIAIS E TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO ROBUSTOS
As baterias TPPL também são construídas com materiais duráveis e técnicas avançadas de fabricação, tornando-as altamente resistentes a danos mecânicos e estressores ambientais. Essa construção robusta garante que as baterias possam suportar condições operacionais adversas sem comprometer o desempenho, reduzindo a probabilidade de falha prematura e a necessidade de atividades de manutenção não programadas.
Grande parte da robustez vem de um longo histórico de implantação em ambientes operacionais hostis, incluindo aplicações militares, que resultaram em uma série de melhorias técnicas. Os terminais foram reforçados e um papel AGM mais durável foi usado entre as placas. Muitas das ideias foram aplicadas no mercado de energia de reserva e são usadas hoje para aumentar a vida útil e o desempenho das baterias TPPL, tornando-as altamente resistentes a fatores como choque e vibração.
Além disso, em algumas partes do mundo, como os EUA, espera-se que as baterias TPPL forneçam energia confiável durante eventos sísmicos. Portanto, o teste sísmico de acordo com padrões como IEEE 693 é realizado para atender às recomendações de projeto sísmico para aplicações de usuário final, como subestações. Os testes sísmicos informaram certas mudanças de design ao longo dos anos em componentes como os terminais usados nas baterias para fornecer um ponto de conexão seguro para conectar cabos ou fios. Em um mundo impactado pelas mudanças climáticas e eventos climáticos extremos, a EnerSys está comprometida com a evolução contínua do produto para garantir que as baterias permaneçam adequadas à finalidade.
ENERSYS: SEU PARCEIRO EM ENERGIA DE BATERIA
Em conclusão, as baterias de chumbo puro, como a TPPL, fornecem uma opção confiável e sustentável para usinas de serviços públicos e de energia. Para gerentes de manutenção e operadores que buscam garantir o tempo de atividade, geralmente em ambientes desafiadores, os benefícios incluem:
- Alta confiabilidade
- Recarga rápida
- Ampla faixa de temperatura
- Pegada reduzida
- Livre de manutenção
- Menor corrente de flutuação para economia de energia
A EnerSys tem cerca de 50 anos de experiência no desenvolvimento de baterias de chumbo puro, como TPPL. Ela oferece um amplo portfólio de sistemas de bateria robustos, escaláveis e de baixa manutenção que fornecem a energia do tamanho certo para os mercados de serviços públicos e industriais, independentemente da aplicação. Os produtos são fabricados em instalações de primeira classe nos EUA e na Europa com os mais altos padrões, apoiados por cuidados premium de pós-venda. Em última análise, essas soluções fornecem energia confiável e sustentável em fábricas e estações de eletricidade, maximizando o tempo de atividade e reduzindo os custos ao longo da vida útil.
