Eficiência e Consumo Auxiliar do Sistema de Armazenamento Comercial e Industrial

Relatório de Análise da Cadeia Energética e Consumo Auxiliar de um Ciclo Único de Carga e Descarga do Armário de Armazenamento C&I

Este relatório tem como alvo o armário de armazenamento comercial e industrial de 125 kW / 261 kWh, analisando a cadeia energética de um ciclo completo DOD 0% → 95% → 0%. O RTE AC-AC nominal do sistema é de 88,5%, sendo necessário deduzir, além da eficiência do PCS e do RTE DC da bateria, o consumo auxiliar do grupo de refrigeração líquida, BMS/EMS e desumidificador.

• RTE central (PCS + bateria, sem auxiliares): 88,95%
• Consumo da refrigeração líquida em um único ciclo sob ciclo de trabalho nominal de refrigeração: aproximadamente 5,8 – 8,1 kWh (cobrindo desde ciclo de trabalho acima de 50% até o intervalo de potência máxima)
• Intervalo correspondente de RTE líquido do sistema: 85,15% – 87,48% (de 25% de refrigeração até refrigeração nominal, cobrindo condições operacionais típicas em campo)

1. Parâmetros do Sistema

2. Cablagem e Terminais

Esta seção não trata de cablagem externa; o foco está em indicar os pontos de medição de energia, conforme sugerido abaixo:

• Medição no lado da rede: medidor bidirecional no terminal de saída do disjuntor de conexão à rede dentro do armário, utilizado como fonte estatística de $E_{\text{grid\_in}}$ / $E_{\text{grid\_out}}$.
• Medição no lado AC do PCS: medidor bidirecional na porta de saída AC do PCS, usado para verificar a eficiência do próprio PCS.
• Lado DC da bateria: amostragem no barramento DC do BMS, usada para contabilizar o RTE DC da bateria.

3. Especificações do Grupo de Refrigeração Líquida

A unidade adota compressor e bomba de água de frequência variável. O sinal de controle principal é a temperatura individual da célula ($T_{\max}$ / $T_{\min}$), e o sinal de ajuste é a temperatura de saída do líquido ($T_{\text{outlet}}$, configurável pelo BMS).

3.1 Lógica de Controle dos Modos de Operação (BMS ativo)

Nota: $T_{\max}$ / $T_{\min}$ são as temperaturas máxima e mínima das células no interior do armário DC; $\Delta T$ é a diferença de temperatura entre a entrada e a saída do líquido.

3.2 Lógica de Proteção contra Falha de Energia do BMS (BMS inativo)

Em caso de falha de energia, a lógica de refrigeração/aquecimento acima é mantida, e duas proteções adicionais de autocirculação forçada são acrescentadas:

3.3 Prioridade dos Modos

Refrigeração > Aquecimento > Autocirculação; a autocirculação pode ser diretamente sobrescrita pelas condições forçadas (3.2).

4. Comunicação

Este relatório não aborda protocolos de comunicação externos, mas recomenda unificar as seguintes interfaces e pontos na aquisição de dados em campo, para facilitar o cálculo do RTE pelo EMS de nível superior:

• BMS → EMS: tensão/corrente DC da bateria, SOC, SOH, temperatura individual das células.
• PCS → EMS: tensão/corrente/potência no lado AC, estado de carga/descarga, palavra de falha.
• Grupo de refrigeração líquida → EMS: temperatura de saída do líquido, partida/parada do compressor/bomba, modo atual (refrigeração/aquecimento/autocirculação).

5. Procedimentos Operacionais e Base de Cálculo

5.1 Energia da Cadeia de Referência

• RTE DC da bateria de 94%, dividido simetricamente em 96,95% × 96,95%
• Eficiência de carga/descarga do PCS de 97,3%
• DoD = 95%

$$E_{\text{usable}} = 261 \times 95\% = 247,95 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{grid\_in\_basic}} = \frac{E_{\text{usable}}}{\eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{AC-AC}}} = \frac{247,95}{0,973 \times 0,9695} = 262,84 \text{ kWh}$$

$$E_{\text{AC\_gross}} = E_{\text{usable}} \times \eta_{\text{AC-AC}} \times \eta_{\text{DC-AC}} = 247,95 \times 0,9695 \times 0,973 = 233,91 \text{ kWh}$$

Eficiência teórica do sistema sem o consumo de refrigeração líquida e dos auxiliares fixos (núcleo PCS + bateria):

$$\eta_{\text{core}} = \eta_{\text{DC-AC}} \times \eta_{\text{bat\_RT}} \times \eta_{\text{AC-AC}} = 0,973 \times 0,94 \times 0,973 = 88,95\%$$

5.2 Cadeia Energética de um Único Ciclo

• Caminho de carga: rede → PCS (×97,3%) → bateria DC (×96,95%) → armazenamento 247,95 kWh.
• Caminho de descarga: bateria DC (×96,95%) → PCS (×97,3%) → saída AC bruta 233,91 kWh.
• O consumo da refrigeração líquida e dos auxiliares é representado como ramal flutuante: somado ao consumo auxiliar no lado da carga, e deduzido da saída bruta do PCS no lado da descarga.

5.3 Fórmula Geral

Seja $\delta$ o ciclo de trabalho de refrigeração (e $1-\delta$ o ciclo de trabalho de autocirculação), o tempo de carga em um único ciclo à potência nominal é $T_{\text{ch}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} / P_{\text{rated}} = 2,103 \text{ h}$, e o tempo de descarga é $T_{\text{dis}} = E_{\text{AC\_gross}} / P_{\text{rated}} = 1,871 \text{ h}$.

$$P_{\text{liq\_avg}} = P_{\text{liq,idle}} + k_{\text{cool}} \cdot \delta = 0,25 + 2,25\delta \quad \text{(kW)}$$

$$E_{\text{grid\_in}} = E_{\text{grid\_in\_basic}} + T_{\text{ch}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 262,84 + 2,103 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0,26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}} = E_{\text{AC\_gross}} - T_{\text{dis}} \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \right) = 233,91 - 1,871 \cdot \left( P_{\text{liq\_avg}} + 0,26 \right) \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}} = \frac{E_{\text{grid\_out}}}{E_{\text{grid\_in}}}$$

Forma fechada após substituição (eliminando a variável intermediária $P_{\text{liq\_avg}}$):

$$E_{\text{grid\_in}}(\delta) = 262,84 + 2,103 \cdot (0,25 + 2,25\delta + 0,26) = 263,91 + 4,732\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$E_{\text{grid\_out}}(\delta) = 233,91 - 1,871 \cdot (0,25 + 2,25\delta + 0,26) = 232,96 - 4,210\,\delta \quad \text{(kWh)}$$

$$\eta_{\text{RTE\_net}}(\delta) = \frac{232,96 - 4,210\,\delta}{263,91 + 4,732\,\delta}$$

5.4 Cenários de Consumo Auxiliar

Consumo auxiliar fixo: BMS + EMS = 200 W, desumidificador = 60 W (operação contínua), totalizando $P_{\text{aux\_fixed}} = 260 \text{ W}$. O grupo de refrigeração líquida é modelado em 8 estados típicos:

[1] Condição de disparo da autocirculação: inicia quando $\Delta T \geq 4\,°C$ e para quando $\Delta T \leq 2\,°C$. Quando a bateria está ociosa e a diferença de temperatura é pequena, a refrigeração líquida está efetivamente na linha "desligada" (0 kW); durante carga/descarga ou aquecimento, entra na linha "autocirculação" (0,25 kW). Em caso de falha do BMS, se $T_{\text{outlet}} \geq 38\,°C$ ou $\leq 8\,°C$, a autocirculação é forçada por 120 s.

5.5 Conclusões e Recomendações

• RTE central 88,95%; após incluir os 260 W de auxiliares fixos, o RTE líquido é de aproximadamente 88,6%; cai para 88,27% durante a autocirculação da refrigeração líquida; com ciclo de trabalho de 50% de refrigeração é de 86,70%.
• Para garantir o RTE nominal de nível de sistema de 88,5%, a partir de $\eta_{\text{RTE\_net}} \geq 0,885$, por cálculo reverso obtém-se:

  $$P_{\text{liq\_avg}} + P_{\text{aux\_fixed}} \leq 0,348 \text{ kW} \;\Rightarrow\; P_{\text{liq\_avg}} \leq 0,088 \text{ kW}$$

  ou seja, a potência média por ciclo da soma da refrigeração líquida com os auxiliares fixos deve ser ≤ 0,35 kW (dos quais o próprio grupo de refrigeração líquida ≤ 0,09 kW, basicamente no estado desligado ou próximo da autocirculação).
• Observação sobre a autocirculação: conforme a lógica de controle da Seção 3.1, a autocirculação só é iniciada quando $\Delta T \geq 4\,°C$, não operando de forma contínua. Quando a bateria está ociosa e a diferença de temperatura é pequena, está efetivamente "refrigeração desligada" (0 kW), com RTE podendo chegar a 88,62%; durante carga/descarga com aumento de temperatura, entra em autocirculação (0,25 kW), com RTE de cerca de 88,27%. O objetivo de controle ≤ 0,09 kW acima não se aplica durante a autocirculação forçada por falha do BMS (proteção de borda de 120 s).

6. Observações Importantes

1. A cadeia energética deste relatório baseia-se na hipótese de eficiência simétrica de carga e descarga; se a eficiência do PCS em campo variar significativamente entre diferentes faixas de SOC/potência, deve-se realizar um ajuste por segmento.
2. O ciclo de trabalho de refrigeração/aquecimento do grupo de refrigeração líquida varia significativamente com a temperatura ambiente; o RTE deve ser calculado dentro da faixa de temperatura contratual.
3. Se o desumidificador operar sob demanda em vez de 60 W contínuos, o termo fixo na fórmula deve ser substituído pelo ciclo de trabalho efetivo.
4. Com o envelhecimento da bateria, o RTE DC diminuirá; o cálculo do RTE deve incorporar simultaneamente um fator de correção de SOH.
5. Todos os valores de potência/energia são estatísticas de um único ciclo, não podendo ser extrapolados diretamente para dados diários/mensais.

Apêndice A Definição dos Símbolos

A.1 Parâmetros do Sistema

A.2 Eficiência e Energia de Referência

A.3 Tempo e Potência Auxiliar

A.4 Grupo de Refrigeração Líquida

A.5 Energia e RTE de Nível de Sistema

A.6 Convenção de Nomenclatura dos Símbolos

• Os subscritos in / out indicam entrada/saída de energia em relação à rede.
• Os subscritos ch / dis indicam os processos de carga/descarga.
• O subscrito aux indica o sistema auxiliar, e o subscrito liq indica a refrigeração líquida.
• Os subscritos idle / cool / heat / max indicam os modos de operação da refrigeração líquida.
• Os subscritos max / min (nus) indicam as temperaturas máxima/mínima da célula individual (não são modos de potência).
• A letra grega $\eta$ representa eficiência, $\delta$ representa ciclo de trabalho (atenção para não confundir com DoD), e $\Delta$ representa diferença.