Melhores baterias
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Melhores baterias

Por Jesse Roman

BetterBatteries

À medida que os sistemas de armazenamento de energia (ESS, da sigla em inglês) evoluem e a NFPA considera uma nova norma para a segurança dos ESS, a pesquisa segue no seu esforço para melhorar os materiais, os projetos e as metodologias que sustentam essa tecnologia em rápida expansão 

Entrevista feita e editada por Jesse Roman

Há alguns anos, quando o pesquisador David Rosewater testava o protótipo dum sistema grande de baterias em seu laboratório, no Sandia National Laboratories, em Albuquerque, Novo México, um dos componentes começou a soltar fumaça. Pequenas chamas começaram logo a surgir do sistema, devido a um resistor subdimensionado e sobrecarregado que tinha produzido uma faísca, causando a ignição dum dos subsistemas de baterias, de acordo com o que Rosewater apurou mais tarde. As chamas foram apagadas rapidamente e ninguém ficou ferido, mas o episodio me levou a “questionar quais eram os conhecimentos mais avançados sobre a prevenção de incidentes nesses sistemas e me encaminhou para uma linha de pesquisa sobre a segurança dos sistemas de baterias como uma disciplina da engenharia,” disse Rosewater numa entrevista recente ao NFPA Journal.

Enquanto milhões de baterias operam todos os dias sem incidentes, episódios recentes de incêndios ou explosões de tablets, hoverboards, cigarros eletrônicos e telefones celulares ilustram o potencial destrutivo das baterias. Se algo parecido acontecer numa escala maior - por exemplo, num sistema de baterias do tamanho dum trator conectado a uma rede de energia elétrica, isso poderia por em perigo os socorristas e o público, causando incêndios, explosões, liberação de fumaça e químicos tóxicos e arcos elétricos.

Em Sandia e em outros centros de pesquisa como o Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver melhores projetos, materiais e tecnologias para reduzir os riscos de desastres causados por baterias. A NFPA está trabalhando também com o mesmo objetivo, desenvolvendo uma melhor regulamentação relacionada aos sistemas de baterias, conhecidos também como sistemas de armazenamento de energia (ESS) na linguagem da indústria. Este ano, a NFPA criou um Comitê Técnico sobre os ESS, incluindo pesquisadores, fabricantes, socorristas entre outros, para desenvolver uma nova norma abrangente sobre ESS que os membros do Comitê esperam dê coerência ao projeto, instalação e resposta de emergência para esses sistemas.

Considerando que a indústria se desenvolve rapidamente em todo o mundo, precisamos de regras e orientações adicionais claras, disse Rosewater, um dos trinta membros do novo comitê técnico sobre ESS da NFPA. Cinco anos atrás o número de instalações era limitado, mas hoje milhares de sistemas de baterias estão sendo instalados a cada ano em casas, comércios, complexos comerciais e centrais elétricas. A adoção acelerada dos ESS se deve à grande quantidade de vantagens econômicas e ambientais que as baterias oferecem, incluindo o “peak shaving”, a prática de armazenar energia nas baterias quando os preços são baixos e utilizar essa energia durante os horários caros; uma maior independência energética; o uso mais eficiente das energias renováveis; energia auxiliar em caso de emergência e permitir às empresas de eletricidade um melhor gerenciamento do uso da energia na rede elétrica. Os avanços tecnológicos ajudaram também.

Para responder à demanda, a Tesla prevê a abertura o próximo ano duma planta de fabricação de baterias de cinco bilhões de dólares no deserto do Nevada, chamada Gigafactory, que produzirá baterias num volume antes inimaginável. Uma série de outras empresas como a LG Chem, GE e Siemens estão também fazendo grandes investimentos nos ESS, enquanto os pesquisadores tanto do setor público como do setor privado, estão trabalhando constantemente para proporcionar melhores projetos e processos químicos.

Muitos pesquisadores, incluindo Rosewater, estão trabalhando para poder tornar os ESS mais seguros. Vários projetos estão em curso nos centros de Sandia e PNNL, incluindo esforços para desenvolver materiais mais seguros para as baterias e para projetar melhores sistemas de supressão de incêndios e agentes de supressão para baterias. Sandia dedicou um laboratório inteiro à realização de testes de uso impróprio para estudar a resposta das baterias em condições anormais – impacto, dano externo, fogo, sobreaquecimento, sobrecarga, entre outros.

O NFPA Journal falou com Rosewater sobre o estado da pesquisa sobre a segurança das baterias, suas aspirações para o novo comitê técnico da NFPA sobre ESS e quais riscos as baterias poderiam apresentar aos socorristas, instaladores e público.

- Por uma série de motivos, as instalações de ESS estão aumentando muito rapidamente. Qual é a velocidade da evolução da tecnologia?

Novas tecnologias estão aparecendo a cada ano.  Nos laboratórios nacionais, no mundo acadêmico e na indústria estão em curso pesquisas inovadoras e a mudança é muito rápida.

Nos últimos cinco anos, desde que trabalho neste campo, vi a indústria crescer de forma exponencial. Nos laboratórios nacionais, estamos ajudando a enquadrar o crescimento do desenvolvimento de melhores tecnologias e existe um forte impulso da indústria para ajudar a resolver os problemas de energia no âmbito da rede e procurar novos mercados. Essa dinâmica abriu um canal para o desenvolvimento rápido das tecnologias que envolvem baterias, que passam da bancada do laboratório à instalação de sistemas em anos apenas. Por um lado, isso representa um grande desenvolvimento para a transição do mundo rumo à energia sustentável, mas isso traz também desafios para garantir que essas novas tecnologias sejam desenvolvidas de forma segura. Trata-se dum desafio, mas não é insuperável.

- A inovação causa preocupações? O desenvolvimento dos novos riscos ultrapassa nossa capacidade de controle?

Desde a nossa perspectiva, geralmente não é assim. A segurança está de fato melhorando em todos os âmbitos. Cada ano compreendemos melhor os mecanismos de segurança. Além disso, a padronização tanto dos projetos como dos processos seguros garante que as novas tecnologias que surgem cumpram efetivamente um nível de segurança cada vez maior. Novas questões continuarão a surgir, é possível que incêndios nos sistemas de baterias continuem a fazer as manchetes dos jornais, mas deveríamos moderar esta ênfase compreendendo e sabendo que milhares de sistemas estão operando em silêncio e sem incidentes todos os dias. Evidentemente, esse processo é parte integrante de praticamente cada nova tecnologia. Cada nova tecnologia segue seu curso.

- Quais são os desafios e os riscos que as grandes baterias acarretam para o público e os socorristas?

Todas as baterias apresentam três riscos principais: voltagem, explosão por arco elétrico e incêndio. Esses riscos já são bem percebidos e controlados no ambiente edificado. Nenhum desses riscos é novo ou exclusivo das baterias e os métodos de engenharia da segurança já estão disponíveis para controlar e reduzir adequadamente o perigo em caso dum acidente ou incidente envolvendo esses sistemas.

Cada tipo específico de baterias, como as baterias de íon-litio ou de chumbo-ácido, tem seus riscos específicos adicionais, como a combustibilidade ou a toxicidade dos gases liberados. Mas até agora não vi qualquer risco presente nos sistemas de baterias que não seja já bem percebido em outros ambientes edificados, quer no processamento químico, quer na indústria da energia ou em outra parte. Esses riscos são bem conhecidos e apenas precisamos controlá-los através dos projetos.

Como se faz isso?

Um bom projeto deve considerar todas as interações entre componentes dos sistemas em cada configuração possível. Isso implica restrições de segurança no sistema com redundância e controle de erros. É realmente algo difícil de fazer, mas com os avanços da tecnologia e da base de conhecimento, vai ficando mais fácil.

- Qual é a parte mais difícil quando projetam a segurança desses sistemas?

Um dos aspectos mais difíceis para projetar sistemas seguros é que os humanos são parte de todo sistema técnico com o qual trabalham. Os humanos não trabalham exatamente de forma limpa e previsível. Sempre que as pessoas interatuam com esses sistemas os métodos de engenharia da segurança devem ser adaptados a esse novo ambiente, esse novo modo. Essa é uma das coisas que dão tanto valor ao trabalho da NFPA sobre o armazenamento de energia. Desenvolver orientações sobre a tática dos socorristas, os padrões de avaliação de risco, toda essa pesquisa ampla que a NFPA realiza para que os bombeiros respondam aos incidentes que envolvem os sistemas de baterias consiste, de fato, na introdução da engenharia de segurança nas interações entre os bombeiros e os sistemas e isso é crucial. Dependemos dos bombeiros para proteger a vida e garantir a segurança se algo corre mal nesses sistemas e eles precisam de ferramentas e procedimentos para permanecer seguros nesse trabalho.

- Quais são algumas das questões que o novo comitê técnico da NFPA poderia abordar?

Penso que a meta do comitê é desenvolver novas normas de instalação dos sistemas de armazenamento de energia na rede que forneçam instruções claras aos fabricantes, proprietários de edifícios, socorristas e outros para que os ESS sejam projetados de forma segura, levando em conta tanto a interação dos bombeiros com a tecnologia como qualquer outra consideração de projeto relacionada à instalação dos sistemas.

- Quais elementos incluiriam?

Eu incluiria aspetos como a localização, a sinalização, os rótulos de advertência, assim como a iluminação de segurança, os afastamentos, tudo isso. Muitas dessas coisas podem ser introduzidas durante o processo de projeto, mas seria muito mais fácil para todas as partes envolvidas se pudermos proporcionar esse tipo de requisito numa norma clara que os instaladores e fabricantes possam mencionar e dizer “sim, fizemos isso corretamente”. Uma norma bem sucedida protegerá a vida e a propriedade no caso de algo correr mal, mas agilizará também o processo e apoiará a indústria.

- Esse tipo de orientações já existe?

As orientações existem e existem práticas de engenharia da segurança que podem prevenir qualquer um dos riscos que as baterias apresentam, mas colocá-las todas no mesmo lugar e resolver os conflitos, como as condições adversas específicas nas quais as baterias devem ser testadas, será uma das coisas mais difíceis e mais importantes que o comitê deverá fazer.

- Onde e como são utilizadas essas baterias?

Você pode vê-las surgindo por toda a parte, em qualquer ponto de conexão à rede que você pode imaginar. Abrange tudo desde a escala residencial até o armazenamento em grande escala ao nível de transmissão.

O armazenamento de energia tem sido particularmente útil para as empresas de eletricidade. Historicamente, a rede tem sido operada como um sistema de distribuição de produto sem armazenamento temporário. Imagine a operação dum sistema de distribuição de mariscos sem armazéns, ou um sistema de distribuição de água sem tanques de armazenamento. Tem sido difícil lidar com isso, fazer corresponder a carga e a distribuição em todo momento de cada dia e isso está se tornando mais fácil porque mais fontes variáveis estão sendo introduzidas na rede. Esse é um desafio, mas é um problema de engenharia que pode ser resolvido e algo que pode ajudar a resolvê-lo é o armazenamento. Então estamos realmente adotando isso como um resultado natural do nosso progresso rumo a uma economia energética mais sustentável.

- Há tantas coisas acontecendo em termos de pesquisa e progresso das baterias. Quais são as áreas principais que estão sendo estudadas?

Estamos avançando em muitas áreas. Uma área de enfoque de alto nível é o plano do Departamento de Energia dos estados Unidos para o armazenamento de energia na rede, que foi publicado em 2013. Esse plano prioriza a pesquisa em quatro áreas: o desenvolvimento de tecnologia competitiva quanto aos custos, validação da segurança e confiabilidade, um ambiente regulatório equitativo e a aceitação da indústria. Vimos fortes investimentos em cada uma dessas áreas em muitos setores da indústria e houve avanços todos os anos. Os aprimoramentos são constantes.

- Quais foram os progressos alcançados especificamente na área da pesquisa para a segurança?

A pesquisa e o desenvolvimento estão melhorando nossa compreensão da segurança e dos controles a cada ano. Aqui temos um exemplo. Quando uma bateria de íon lítio entra numa reação térmica em cadeia (thermal runaway) muitas vezes pode produzir e liberar gases, e os gases liberados podem acumular-se num espaço enclausurado e tornarem-se combustíveis. Historicamente, esse não foi realmente um risco com o qual tivemos de lidar porque a maioria das baterias de íon-lítio era utilizada em dispositivos eletrônicos individuais e talvez em automóveis. Os motores dos carros e os telefones celulares não estão enclausurados em espaços confinados e por isso não temos acumulação de gases durante uma reação térmica em cadeia. Mas agora sabemos projetar instalações fixas de baterias de íon-lítio porque elas são colocadas em pequenos gabinetes. Desta forma a compreensão das diferentes propriedades das baterias em diferentes aplicações foi algo que evoluiu durante os últimos anos. E isso é apenas um caso de estudo que faz parte duma compreensão mais profunda dos riscos e da tecnologia que resulta num melhor projeto. Eu vi projetos melhores ganhando lugar nos sistemas instalados agora. Existe uma compreensão do controle dos riscos que não tínhamos necessariamente cinco ou dez anos atrás.

ENERGIZADO

Uma série de esforços de pesquisa está em curso para aprimorar e obter uma melhor compreensão das baterias utilizadas nos sistemas de armazenamento de energia.

JOURNAL online

LEIA “Energia Sobressalente” nosso artigo de capa de janeiro/fevereiro para uma visão detalhada dos ESS e das questões emergentes de segurança que apresentam aos agentes da lei e aos socorristas.

LEIA o relatório de 2013 do Departamento de Energia dos Estados Unidos sobre o armazenamento de energia na rede, que lida com as oportunidades e os desafios da tecnologia e analisa os esforços em curso para desenvolver os ESS

@nfpa.org/journal

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