Eletricidade lenta: o retorno da energia DC?
Estação de força inicial Nos sistemas solares fotovoltaicos atuais, a energia de corrente contínua proveniente de painéis solares é convertida em energia de corrente alternada, tornando-a compatível com a distribuição elétrica de um edifício.
Como muitos dispositivos modernos operam internamente em corrente contínua (CC), a corrente alternada (CA) de eletricidade é então convertida de volta à eletricidade CC pelo adaptador de cada dispositivo.
Esta conversão de energia dupla, que gera até 30% de perdas de energia, pode ser eliminada se a distribuição elétrica do edifício for convertida em DC.
O acoplamento direto de fontes de energia CC com cargas DC pode resultar em um sistema solar significativamente mais barato e mais sustentável.
No entanto, algumas condições importantes precisam ser atendidas para atingir esse objetivo.
A eletricidade pode ser produzida e distribuída usando corrente alternada ou corrente contínua. No caso da eletricidade CA, a corrente muda de direção periodicamente, enquanto a tensão reverte junto com a corrente. No caso da eletricidade CC, a corrente flui em uma direção e a tensão permanece constante.
Quando a transmissão de energia elétrica foi introduzida no último quarto do século XIX, AC e DC estavam competindo para se tornar o sistema padrão de distribuição de energia - um período da história conhecido como a "guerra de correntes".
AC ganhou, principalmente por causa de sua maior eficiência quando transportado por longas distâncias. A energia elétrica (expressa em watt) é igual à corrente (expressa em ampère) multiplicada pela tensão (expressa em volt). Consequentemente, uma dada quantidade de energia pode ser produzida por uma baixa voltagem com uma corrente mais alta ou por uma alta voltagem com uma corrente mais baixa. No entanto, a perda de energia devido à resistência é proporcional ao quadrado da corrente. Portanto, altas tensões são a chave para a transmissão de energia com eficiência energética em longas distâncias.
A invenção do transformador de corrente alternada no final do século XIX tornou possível aumentar facilmente a tensão para transportar energia por longas distâncias, e então recomeçá-la novamente para uso local. A eletricidade DC, por outro lado, não poderia ser convertida eficientemente em altas voltagens até os anos 1960. Consequentemente, era impossível transmitir energia eficientemente por longas distâncias (> 1-2 km).
Estação de força inicial Nos sistemas solares fotovoltaicos atuais, a energia de corrente contínua proveniente de painéis solares é convertida em energia de corrente alternada, tornando-a compatível com a distribuição elétrica de um edifício.
Como muitos dispositivos modernos operam internamente em corrente contínua (CC), a corrente alternada (CA) de eletricidade é então convertida de volta à eletricidade CC pelo adaptador de cada dispositivo.
Esta conversão de energia dupla, que gera até 30% de perdas de energia, pode ser eliminada se a distribuição elétrica do edifício for convertida em DC.
O acoplamento direto de fontes de energia CC com cargas DC pode resultar em um sistema solar significativamente mais barato e mais sustentável.
No entanto, algumas condições importantes precisam ser atendidas para atingir esse objetivo.
Imagem: Brighton Electric Light Station, 1887.
Os motores a vapor fixos acionam geradores de corrente contínua por meio de cintos de couro.
A eletricidade pode ser produzida e distribuída usando corrente alternada ou corrente contínua. No caso da eletricidade CA, a corrente muda de direção periodicamente, enquanto a tensão reverte junto com a corrente. No caso da eletricidade CC, a corrente flui em uma direção e a tensão permanece constante.
Quando a transmissão de energia elétrica foi introduzida no último quarto do século XIX, AC e DC estavam competindo para se tornar o sistema padrão de distribuição de energia - um período da história conhecido como a "guerra de correntes".
AC ganhou, principalmente por causa de sua maior eficiência quando transportado por longas distâncias. A energia elétrica (expressa em watt) é igual à corrente (expressa em ampère) multiplicada pela tensão (expressa em volt). Consequentemente, uma dada quantidade de energia pode ser produzida por uma baixa voltagem com uma corrente mais alta ou por uma alta voltagem com uma corrente mais baixa. No entanto, a perda de energia devido à resistência é proporcional ao quadrado da corrente. Portanto, altas tensões são a chave para a transmissão de energia com eficiência energética em longas distâncias.
A invenção do transformador de corrente alternada no final do século XIX tornou possível aumentar facilmente a tensão para transportar energia por longas distâncias, e então recomeçá-la novamente para uso local. A eletricidade DC, por outro lado, não poderia ser convertida eficientemente em altas voltagens até os anos 1960. Consequentemente, era impossível transmitir energia eficientemente por longas distâncias (> 1-2 km).
Brush_central_power_station_dynamos_New_York_1881Ilustração: A dínamo central da Brush Electric Company produz lâmpadas de arco para iluminação pública em Nova York. Começando a operar em dezembro de 1880, na rua West Twenty-Fifth, nº 133, o circuito funcionava em um circuito de 3,2 km. Fonte: Wikipedia Commons.
Uma rede de energia CC implicava a instalação de usinas relativamente pequenas em todos os bairros. Isso não era ideal porque a eficiência dos motores a vapor que alimentavam os dínamos dependia de seu tamanho - quanto maior o motor a vapor, mais eficiente ele se torna. Além disso, os motores a vapor eram barulhentos e produziam poluição do ar, enquanto a baixa eficiência de transporte de energia DC excluía o uso de fontes de energia hidrelétrica mais distantes e limpas.
Mais de cem anos depois, a AC ainda constitui a base da nossa infraestrutura de energia. Embora a DC de alta voltagem esteja ganhando terreno para o transporte de longa distância, toda a distribuição de eletricidade nos edifícios é baseada em corrente alternada, seja em 110V ou 220V. Sistemas de baixa voltagem DC sobreviveram em carros, caminhões, motorhomes, caravanas e barcos, bem como em escritórios de telecomunicações, estações científicas remotas e abrigos de emergência. Na maioria desses exemplos, os dispositivos são alimentados por baterias que operam em 12V, 24V ou 48V DC.
Juros renovados em energia DC
Recentemente, dois fatores convergentes renovaram o interesse na distribuição de energia de corrente contínua. Primeiro, agora temos melhores alternativas para a geração de energia descentralizada, sendo as mais significativas delas painéis solares fotovoltaicos. Eles não poluem e sua eficiência é independe do seu tamanho.
Os painéis solares podem ser localizados exatamente onde a demanda de energia e a transmissão de energia de longa distância não é uma exigência. Além disso, os painéis solares "naturalmente" produzem energia CC, assim como as baterias químicas, que são a tecnologia de armazenamento mais prática para sistemas fotovoltaicos.
Painéis solares fotovoltaicos produzem naturalmente energia CC, e uma parcela crescente de nossos eletrodomésticos operam internamente em corrente contínua
Em segundo lugar, uma parcela crescente de nossos aparelhos elétricos opera internamente em energia CC. Isso vale para computadores e todos os outros aparelhos eletrônicos, bem como para iluminação de estado sólido (LEDs), televisores de tela plana, equipamento estéreo, fornos de microondas e uma quantidade crescente de dispositivos operados em motores CC com operação de velocidade variável (ventiladores, bombas , compressores e sistemas de tração). Nos próximos 20 anos, poderíamos ver até 50% das cargas totais em residências sendo constituídas de consumo de energia elétrica. [2]
Em um edifício que gera energia solar fotovoltaica, mas a distribui-a em ambientes internos por meio de um sistema elétrico CA, é necessária uma conversão de energia dupla. Primeiro, a energia CC do painel solar é convertida em energia CA usando um inversor. Em seguida, a energia CA é convertida novamente em energia CC pelos adaptadores de dispositivos internos da CC, como computadores, LEDs e microondas.
Essas conversões de energia implicam em perdas de energia, que poderiam ser evitadas se um prédio movido a energia solar fosse equipado com distribuição de corrente contínua.
Em outras palavras, um sistema elétrico de corrente contínua poderia tornar o sistema fotovoltaico mais eficiente no uso de energia.
Mais energia solar por menos dinheiro
Como o uso de energia operacional e os custos de um sistema fotovoltaico solar são nulos, uma maior eficiência energética se traduz em menores custos de capital, uma vez que menos painéis solares são necessários para gerar uma determinada quantidade de eletricidade.
Além disso, não há necessidade de instalar um inversor, que é um dispositivo caro que deve ser substituído pelo menos uma vez durante a vida útil de um sistema fotovoltaico solar.
Custos de capital mais baixos também implicam menor energia incorporada: se menos painéis solares e nenhum inversor forem necessários, é preciso menos energia para produzir a instalação de energia solar fotovoltaica, o que é crucial para melhorar a sustentabilidade da tecnologia.
Menos painéis solares são necessários para gerar uma determinada quantidade de eletricidade
Uma vantagem semelhante seria aplicada a dispositivos elétricos. Em um prédio com distribuição de energia CC, os dispositivos elétricos internos de CC podem eliminar todos os componentes necessários para a conversão de CA para CC.
Isso os tornaria mais simples, mais baratos, mais confiáveis e menos intensivos em energia para produzir.
Os adaptadores CA / CC (que podem ser alojados em uma fonte de alimentação externa ou no próprio dispositivo) são freqüentemente o componente limitador de vida de dispositivos internos de CC, e são bastante substanciais em tamanho. [2]
Por exemplo, para uma luz LED, aproximadamente 40% da placa de circuito impresso é ocupada pelos componentes necessários para a conversão de CA para CC. [3] Adaptadores AC / DC têm mais desvantagens. Como resultado de uma estratégia comercial duvidosa, eles geralmente são específicos de um dispositivo, resultando em desperdício de recursos, dinheiro e espaço.
Além disso, um adaptador continua usando energia quando o dispositivo não está funcionando e até mesmo quando o dispositivo não está conectado a ele.
A distribuição de energia CC tornaria os dispositivos mais simples, mais baratos, mais confiáveis e menos intensivos em energia para produzir suas funções.
Por último, mas não menos importante, as redes CC de baixa tensão (até 24V) são consideradas seguras contra choque ou incêndio, o que permite que os eletricistas instalem fiação relativamente simples, sem aterramento ou caixas de junção de metal e sem proteção contra contato direto. [4, 5, 6] Isso aumenta ainda mais a economia de custos e permite que você instale um sistema solar sozinho.
Nós demonstramos esse sistema DIY - (DIY é a sigla da expressão do inglês Do It Yourself que significa Faça Você mesmo - na tradução para língua portuguesa) - (no próximo artigo, onde também explicamos como obter dispositivos DC ou converter dispositivos AC em DC.
Quanta energia pode ser salva?
Uma rede de energia CC implicava a instalação de usinas relativamente pequenas em todos os bairros. Isso não era ideal porque a eficiência dos motores a vapor que alimentavam os dínamos dependia de seu tamanho - quanto maior o motor a vapor, mais eficiente ele se torna. Além disso, os motores a vapor eram barulhentos e produziam poluição do ar, enquanto a baixa eficiência de transporte de energia DC excluía o uso de fontes de energia hidrelétrica mais distantes e limpas.
Mais de cem anos depois, a AC ainda constitui a base da nossa infraestrutura de energia. Embora a DC de alta voltagem esteja ganhando terreno para o transporte de longa distância, toda a distribuição de eletricidade nos edifícios é baseada em corrente alternada, seja em 110V ou 220V. Sistemas de baixa voltagem DC sobreviveram em carros, caminhões, motorhomes, caravanas e barcos, bem como em escritórios de telecomunicações, estações científicas remotas e abrigos de emergência. Na maioria desses exemplos, os dispositivos são alimentados por baterias que operam em 12V, 24V ou 48V DC.
Juros renovados em energia DC
Recentemente, dois fatores convergentes renovaram o interesse na distribuição de energia de corrente contínua. Primeiro, agora temos melhores alternativas para a geração de energia descentralizada, sendo as mais significativas delas painéis solares fotovoltaicos. Eles não poluem e sua eficiência é independe do seu tamanho.
Os painéis solares podem ser localizados exatamente onde a demanda de energia e a transmissão de energia de longa distância não é uma exigência. Além disso, os painéis solares "naturalmente" produzem energia CC, assim como as baterias químicas, que são a tecnologia de armazenamento mais prática para sistemas fotovoltaicos.
Painéis solares fotovoltaicos produzem naturalmente energia CC, e uma parcela crescente de nossos eletrodomésticos operam internamente em corrente contínua
Em segundo lugar, uma parcela crescente de nossos aparelhos elétricos opera internamente em energia CC. Isso vale para computadores e todos os outros aparelhos eletrônicos, bem como para iluminação de estado sólido (LEDs), televisores de tela plana, equipamento estéreo, fornos de microondas e uma quantidade crescente de dispositivos operados em motores CC com operação de velocidade variável (ventiladores, bombas , compressores e sistemas de tração). Nos próximos 20 anos, poderíamos ver até 50% das cargas totais em residências sendo constituídas de consumo de energia elétrica. [2]
Central elétrica do hipódromo em Paris.
Um motor a vapor executa vários dínamos que acionam lâmpadas de arco.
Fonte desconhecida.
Em um edifício que gera energia solar fotovoltaica, mas a distribui-a em ambientes internos por meio de um sistema elétrico CA, é necessária uma conversão de energia dupla. Primeiro, a energia CC do painel solar é convertida em energia CA usando um inversor. Em seguida, a energia CA é convertida novamente em energia CC pelos adaptadores de dispositivos internos da CC, como computadores, LEDs e microondas.
Essas conversões de energia implicam em perdas de energia, que poderiam ser evitadas se um prédio movido a energia solar fosse equipado com distribuição de corrente contínua.
Em outras palavras, um sistema elétrico de corrente contínua poderia tornar o sistema fotovoltaico mais eficiente no uso de energia.
Mais energia solar por menos dinheiro
Como o uso de energia operacional e os custos de um sistema fotovoltaico solar são nulos, uma maior eficiência energética se traduz em menores custos de capital, uma vez que menos painéis solares são necessários para gerar uma determinada quantidade de eletricidade.
Além disso, não há necessidade de instalar um inversor, que é um dispositivo caro que deve ser substituído pelo menos uma vez durante a vida útil de um sistema fotovoltaico solar.
Custos de capital mais baixos também implicam menor energia incorporada: se menos painéis solares e nenhum inversor forem necessários, é preciso menos energia para produzir a instalação de energia solar fotovoltaica, o que é crucial para melhorar a sustentabilidade da tecnologia.
Menos painéis solares são necessários para gerar uma determinada quantidade de eletricidade
Uma vantagem semelhante seria aplicada a dispositivos elétricos. Em um prédio com distribuição de energia CC, os dispositivos elétricos internos de CC podem eliminar todos os componentes necessários para a conversão de CA para CC.
Isso os tornaria mais simples, mais baratos, mais confiáveis e menos intensivos em energia para produzir.
Os adaptadores CA / CC (que podem ser alojados em uma fonte de alimentação externa ou no próprio dispositivo) são freqüentemente o componente limitador de vida de dispositivos internos de CC, e são bastante substanciais em tamanho. [2]
Ilustração: Driver de energia para uma lâmpada LED de 35W. [3]
Todas as peças necessárias para a conversão de CA para CC são marcadas.
Por exemplo, para uma luz LED, aproximadamente 40% da placa de circuito impresso é ocupada pelos componentes necessários para a conversão de CA para CC. [3] Adaptadores AC / DC têm mais desvantagens. Como resultado de uma estratégia comercial duvidosa, eles geralmente são específicos de um dispositivo, resultando em desperdício de recursos, dinheiro e espaço.
Além disso, um adaptador continua usando energia quando o dispositivo não está funcionando e até mesmo quando o dispositivo não está conectado a ele.
A distribuição de energia CC tornaria os dispositivos mais simples, mais baratos, mais confiáveis e menos intensivos em energia para produzir suas funções.
Por último, mas não menos importante, as redes CC de baixa tensão (até 24V) são consideradas seguras contra choque ou incêndio, o que permite que os eletricistas instalem fiação relativamente simples, sem aterramento ou caixas de junção de metal e sem proteção contra contato direto. [4, 5, 6] Isso aumenta ainda mais a economia de custos e permite que você instale um sistema solar sozinho.
Nós demonstramos esse sistema DIY - (DIY é a sigla da expressão do inglês Do It Yourself que significa Faça Você mesmo - na tradução para língua portuguesa) - (no próximo artigo, onde também explicamos como obter dispositivos DC ou converter dispositivos AC em DC.
Quanta energia pode ser salva?
É importante notar, no entanto, que a vantagem de eficiência energética de uma rede DC não é um dado. A economia de energia pode ser significativa, mas também pode ser muito pequena ou até negativa. Se a DC é ou não uma boa escolha, depende principalmente de cinco fatores: as perdas de conversão específicas nos adaptadores CA / CC de todos os dispositivos, o tempo da "carga" (o uso de energia), a disponibilidade de armazenamento elétrico, comprimento dos cabos de distribuição e o uso de energia dos aparelhos elétricos.
A eliminação do inversor resulta em economias de energia bastante previsíveis. Trata-se apenas de um dispositivo com uma eficiência bastante fixa (+ 90% - embora a eficiência possa despencar para cerca de 50% com carga baixa). No entanto, o mesmo não pode ser dito dos adaptadores AC / DC. Não apenas existem tantos adaptadores quanto dispositivos DC internos, mas suas eficiências de conversão também variam muito, de menos de 50% para dispositivos de baixa potência a mais de 90% para dispositivos de alta potência. [6, 7, 8]
Consequentemente, a perda total de energia dos adaptadores AC / DC pode ser muito diferente, dependendo do tipo de equipamento usado em um edifício - e como eles são usados. Assim como os inversores, os adaptadores consomem relativamente mais energia quando pouca energia é usada, por exemplo, nos modos de espera ou baixo consumo de energia. [8]
As perdas de conversão nos adaptadores são mais elevadas para DVDs / VCRs (31%), áudio doméstico (21%), computadores pessoais e equipamentos relacionados (20%), eletrônicos recarregáveis (20%), iluminação (18%) e televisões (15% ).
As perdas de eletricidade são menores (10-13%) para aparelhos mais comuns, como ventiladores de teto, cafeteiras, lava-louças, torradeiras elétricas, aquecedores, fornos de microondas, refrigeradores e assim por diante.
A iluminação e os computadores (que têm altas perdas de CA / CC) geralmente representam uma grande parcela do uso total de eletricidade em escritórios, lojas e edifícios institucionais. Os agregados familiares têm aparelhos mais diversos, incluindo dispositivos com menores perdas AC / DC. Consequentemente, um sistema de CC proporciona maior economia de energia em escritórios do que em edifícios residenciais.
A maior vantagem está nos data centers, onde os computadores são a carga principal. Alguns centros de dados já mudaram para sistemas DC, mesmo que não sejam alimentados por energia solar. Como um adaptador grande é mais eficiente do que uma infinidade de adaptadores pequenos, a conversão de CA para CC em um nível local (usando um retificador em massa) em vez de em servidores individuais, pode gerar economia de energia entre 5 e 30%.
A importância do armazenamento de energia
Se assumirmos uma perda de energia de 10% no inversor e uma perda média de 15% para todos os adaptadores CA / CC, esperamos uma economia de energia de cerca de 25% ao mudar para distribuição CC em um prédio movido a energia solar fotovoltaica.
No entanto, uma economia tão significativa não é garantida. Para começar, a maioria dos edifícios com energia solar é conectada à rede. Eles não armazenam energia solar em baterias locais, mas dependem da rede para lidar com excedentes e escassez.
Em um edifício com energia solar net-calibrada, carrega apenas cargas coincidente com saída de PV solar podendo beneficiar de uma grade DC
Isso significa que o excesso de energia solar precisa ser convertido de CC para CA para enviá-lo à rede elétrica, enquanto a energia retirada da rede precisa ser convertida de CA para CC, a fim de ser compatível com o sistema de distribuição elétrica da rede elétrica.
Conseqüentemente, em um edifício com energia solar fotovoltaica com cargas coincidentes, com a saída fotovoltaica solar podem se beneficiar de uma rede de corrente contínua.
As primeiras estações de energia DC tinham um dínamo para cada lâmpada.
Fonte desconhecida.
Mais uma vez, isso significa que as vantagens da eficiência de um sistema de corrente contínua são geralmente maiores em edifícios comerciais, onde a maior parte do uso de eletricidade coincide com a saída de CC do sistema solar.
Nos edifícios residenciais, por outro lado, o uso de energia com frequência atinge o pico nas manhãs e noites, quando pouca ou nenhuma energia solar está disponível.
Consequentemente, existe apenas uma pequena vantagem para obter de um sistema DC em um edifício residencial com medição líquida, já que a maioria da eletricidade será convertida para ou a partir de CA de qualquer maneira. Um estudo recente calculou que um sistema de CD poderia melhorar a eficiência energética de uma casa americana alimentada por energia solar com uma média de apenas 5% - a média é de 14 casas nos EUA.
Sistemas Solares Off-Grid
Para realizar todo o potencial de uma rede DC, especialmente quando se trata de um edifício residencial, precisamos armazenar energia solar em baterias no local. Dessa forma, o sistema pode armazenar e usar energia no formato DC.
O armazenamento de energia pode acontecer em um sistema fora da rede, que é totalmente independente da rede, mas adicionar um pouco de armazenamento de bateria a um edifício medido pela rede também melhora a vantagem de um sistema de corrente contínua.
No entanto, o armazenamento de energia acrescenta outro tipo de perda de energia: as perdas de carga e descarga das baterias. A eficiência de ida e volta para baterias de chumbo-ácido é 70-80%, enquanto que para o lítio é de cerca de 90%.
Infelizmente, o armazenamento de energia adiciona outro tipo de perda de energia - as perdas de carga e descarga das baterias - e nega as vantagens de custo de um sistema DC
A quantidade exata de energia que pode ser economizada com o armazenamento da bateria no local depende novamente do tempo da carga.
A eletricidade usada durante o dia - quando as baterias estão cheias - não envolve qualquer carga de bateria e perdas de descarga. Nesse caso, a economia de energia de um sistema CC pode ser de 25% (10% para eliminar o inversor e 15% para eliminar os adaptadores).
No entanto, a eletricidade utilizada após o pôr-do-sol reduz a poupança de energia para 15% para as baterias de iões de lítio e entre -5% e + 5% para as baterias de chumbo-ácido.
Na realidade, a eletricidade provavelmente será usada antes e depois do pôr-do-sol, de forma que as melhorias de eficiência estarão em algum lugar entre esses extremos (-5% a 25% para chumbo-ácido e 15-25% para lítio-íon).
Por outro lado, o armazenamento de baterias traz uma vantagem adicional: há menos ou - em um sistema totalmente independente - nenhuma perda adicional de energia para a transmissão e distribuição de energia elétrica de longa distância. Essas perdas variam muito dependendo da localização.
Por exemplo, as perdas médias de transmissão são de apenas 4% na Alemanha e na Holanda, mas 6% nos EUA e na China e entre 15 e 20% na Turquia e na Índia.
Se adicionarmos mais 7% de economia de energia devido a perdas de transmissão evitadas, um sistema CC fora da rede pode trazer economia de energia entre 2% e 32% para baterias de chumbo-ácido e entre 22% e 32% para baterias de lítio-íon, dependendo do tempo da carga.
Em um sistema CC fora da rede, o uso de eletricidade pode ser atendido por um sistema solar de um quinto a um terço menor, dependendo do tipo de bateria usada.
Assumindo 50% de uso de energia durante o dia e 50% de uso de energia durante a noite, chegamos a um ganho de 17% para um sistema fora da rede usando baterias de chumbo-ácido e 27% para armazenamento de íons de lítio. Isso significa que o uso de eletricidade pode ser atendido com um sistema solar que é de um quinto a um terço menor, respectivamente. As economias de custo total permanecerão um pouco maiores, porque ainda não precisamos de um inversor e os custos de instalação são menores ou inexistentes.
Infelizmente, introduzir o armazenamento de eletricidade no local aumenta os custos de capital novamente, porque precisamos investir em baterias. Isso irá negar a vantagem de custo obtida na escolha de um sistema DC. O mesmo vale para a energia investida no processo de produção: um sistema CC fora da rede requer menos energia para a fabricação de painéis solares, mas estimula pelo menos o uso de energia para a fabricação de baterias.
No entanto, devemos comparar as maçãs com as maçãs: um sistema solar CC fora da rede é mais barato e mais eficiente em termos energéticos do que um sistema fora de rede AC, e é isso que conta. As análises do ciclo de vida dos sistemas solares com medição líquida não representam a realidade, porque ignoram um componente essencial dos sistemas de energia solar.
Perdas de cabo
Há mais uma coisa importante a considerar, no entanto. Como vimos, a perda de potência devido à resistência é proporcional ao quadrado da corrente. Consequentemente, as redes CC de baixa tensão têm perdas de cabos relativamente altas dentro do edifício. Existem duas maneiras pelas quais as perdas de cabos podem fazer uma escolha por um sistema DC contraproducente.
O primeiro é o uso de dispositivos de alta potência e o segundo é o uso de cabos muito longos.
A perda de energia nos cabos é igual ao quadrado da corrente (em ampère), multiplicado pela resistência (em ohm). A resistência é determinada pelo comprimento, diâmetro e material condutor dos cabos. Um fio de cobre com uma seção transversal de 10 mm2, distribuindo 100 watts de potência a 12 V (8,33 A) em uma distância de 10 metros, produz uma perda de energia aceitável de 3%. No entanto, com um comprimento de cabo de 50 metros, a perda de energia chega a 16% e a uma extensão de 100 metros, a perda de energia chega a 32% - o suficiente para anular as vantagens de eficiência de uma rede CC mesmo no cenário mais otimista .
Infelizmente, o armazenamento de energia adiciona outro tipo de perda de energia - as perdas de carga e descarga das baterias - e nega as vantagens de custo de um sistema DC
A quantidade exata de energia que pode ser economizada com o armazenamento da bateria no local depende novamente do tempo da carga.
A eletricidade usada durante o dia - quando as baterias estão cheias - não envolve qualquer carga de bateria e perdas de descarga. Nesse caso, a economia de energia de um sistema CC pode ser de 25% (10% para eliminar o inversor e 15% para eliminar os adaptadores).
No entanto, a eletricidade utilizada após o pôr-do-sol reduz a poupança de energia para 15% para as baterias de iões de lítio e entre -5% e + 5% para as baterias de chumbo-ácido.
Na realidade, a eletricidade provavelmente será usada antes e depois do pôr-do-sol, de forma que as melhorias de eficiência estarão em algum lugar entre esses extremos (-5% a 25% para chumbo-ácido e 15-25% para lítio-íon).
Kensington Court Station: motor a vapor, dínamo e baterias.
Fonte: Estação Central de Iluminação Elétrica, Killingworth Hedges, 1888
Por outro lado, o armazenamento de baterias traz uma vantagem adicional: há menos ou - em um sistema totalmente independente - nenhuma perda adicional de energia para a transmissão e distribuição de energia elétrica de longa distância. Essas perdas variam muito dependendo da localização.
Por exemplo, as perdas médias de transmissão são de apenas 4% na Alemanha e na Holanda, mas 6% nos EUA e na China e entre 15 e 20% na Turquia e na Índia.
Se adicionarmos mais 7% de economia de energia devido a perdas de transmissão evitadas, um sistema CC fora da rede pode trazer economia de energia entre 2% e 32% para baterias de chumbo-ácido e entre 22% e 32% para baterias de lítio-íon, dependendo do tempo da carga.
Em um sistema CC fora da rede, o uso de eletricidade pode ser atendido por um sistema solar de um quinto a um terço menor, dependendo do tipo de bateria usada.
Assumindo 50% de uso de energia durante o dia e 50% de uso de energia durante a noite, chegamos a um ganho de 17% para um sistema fora da rede usando baterias de chumbo-ácido e 27% para armazenamento de íons de lítio. Isso significa que o uso de eletricidade pode ser atendido com um sistema solar que é de um quinto a um terço menor, respectivamente. As economias de custo total permanecerão um pouco maiores, porque ainda não precisamos de um inversor e os custos de instalação são menores ou inexistentes.
Infelizmente, introduzir o armazenamento de eletricidade no local aumenta os custos de capital novamente, porque precisamos investir em baterias. Isso irá negar a vantagem de custo obtida na escolha de um sistema DC. O mesmo vale para a energia investida no processo de produção: um sistema CC fora da rede requer menos energia para a fabricação de painéis solares, mas estimula pelo menos o uso de energia para a fabricação de baterias.
No entanto, devemos comparar as maçãs com as maçãs: um sistema solar CC fora da rede é mais barato e mais eficiente em termos energéticos do que um sistema fora de rede AC, e é isso que conta. As análises do ciclo de vida dos sistemas solares com medição líquida não representam a realidade, porque ignoram um componente essencial dos sistemas de energia solar.
Perdas de cabo
Há mais uma coisa importante a considerar, no entanto. Como vimos, a perda de potência devido à resistência é proporcional ao quadrado da corrente. Consequentemente, as redes CC de baixa tensão têm perdas de cabos relativamente altas dentro do edifício. Existem duas maneiras pelas quais as perdas de cabos podem fazer uma escolha por um sistema DC contraproducente.
O primeiro é o uso de dispositivos de alta potência e o segundo é o uso de cabos muito longos.
Regulação de tensão em usinas de energia precoces Regulação de tensão em usina de energia precoce. Fonte desconhecida.
As perdas de energia relativamente altas nos cabos limitam o uso de aparelhos de alta potência
As perdas de cabos relativamente altas também limitam o uso de aparelhos de alta potência. Se você quiser operar um micro-ondas de 1.000 watts em uma rede de 12V DC, as perdas de energia somam 16% com um comprimento de cabo de apenas 1 metro e pularão para 47% com um comprimento de cabo de 3 metros.
Obviamente, uma rede CC de baixa tensão não é adequada para dispositivos de energia, como máquinas de lavar roupa, lava-louças, aspiradores de pó, fogões elétricos, fornos elétricos ou caldeiras de água quente. Note-se que o uso de energia e não o uso de energia é importante a este respeito. O uso de energia é igual ao uso de energia multiplicado pelo tempo. Um refrigerador usa muito mais energia que um micro-ondas, porque está ligado 24 horas por dia, mas seu uso de energia pode ser pequeno o suficiente para ser operado em uma rede DC.
As perdas de cabos também limitam o uso de energia combinada de dispositivos de baixa potência. Se assumirmos um comprimento de distribuição de cabo de 12V de 12 metros e quisermos manter as perdas de cabo abaixo de 10%, então o uso combinado de energia de todos os aparelhos é limitado a cerca de 150 watts (8,5% de perda de cabo). Por exemplo, isso permite o uso simultâneo de dois laptops (20 watts de energia cada), um refrigerador DC (45 watts) e cinco lâmpadas LED de 8 watts (40 watts no total), o que deixa outros 25 watts de energia por par de dispositivos menores.
Como limitar as perdas de cabos
Existem várias maneiras de contornar as perdas de distribuição de um sistema DC de baixa tensão. Se se trata de um novo edifício, o seu layout espacial pode limitar significativamente o comprimento do cabo de distribuição. Por exemplo, pesquisadores holandeses conseguiram reduzir o comprimento total do cabo em uma casa de 40 a 12 metros. Eles fizeram isso movendo a cozinha e a sala de estar (onde a maioria da eletricidade é usada) para o primeiro andar, logo abaixo do telhado (onde estão os painéis solares), enquanto movem os quartos para o térreo. Eles também agruparam a maioria dos aparelhos na parte central do edifício, logo abaixo dos painéis solares (veja a ilustração abaixo).
A instalação de sistemas solares independentes por um ou dois quartos é uma maneira de limitar as perdas de cabos e aumentar o uso total de energia
Uma terceira maneira de limitar as perdas de cabos é escolher uma voltagem mais alta: 24 ou 48V em vez de 12V. Como as perdas de energia aumentam com o quadrado da corrente, dobrar a tensão de 12 para 24V faz com que as perdas de cabos sejam 4 vezes menores, e a comutação para 48V reduz as perdas por um fator de dezesseis. Essa abordagem também permite o uso de dispositivos de maior potência e aumenta a potência total que pode ser usada por um sistema DC. No entanto, voltagens mais altas também apresentam algumas desvantagens.
Primeiro, a maioria dos aparelhos DC de baixa tensão atualmente no mercado operam em 12V, de modo que o uso de uma rede de 24 ou 48V CC envolve o uso de mais adaptadores CC / CC, que reduzem a tensão e também têm perdas de conversão. Segundo, tensões mais altas (acima de 24V) eliminam as vantagens de segurança de um sistema DC. Em data centers e escritórios, bem como nos edifícios residenciais americanos no estudo mencionado anteriormente, a eletricidade CC é distribuída por todo o edifício em 380V, mas isso requer medidas de segurança tão rígidas quanto a eletricidade de 110V ou 220V AC.
Eletricidade Lenta
Encurtar o comprimento do cabo ou dobrar a voltagem para 24V ainda não permite o uso de dispositivos de alta potência como um microondas ou uma máquina de lavar roupa. Existem duas maneiras de resolver esse problema. O primeiro é instalar um sistema híbrido AC / DC. Neste caso, uma grade DC é configurada para dispositivos de baixa potência, como luzes LED (<10 watts), laptops (<20 watts), uma televisão (30-90 watts) e uma geladeira (<50 watts), enquanto uma grade AC separada é configurada para dispositivos de alta potência.
Esta é a abordagem para residências e pequenos escritórios promovida pela EMerge Alliance, um consórcio de fabricantes de produtos DC, que desenvolveu um padrão para um sistema híbrido 24V DC / 110-220V AC.
No final do século 19, a única carga elétrica nas residências era a iluminação.
Dispositivos de baixa potência são (em média) responsáveis por 35-50% do uso total de eletricidade em uma casa. Mesmo no melhor cenário (50% da carga), um sistema híbrido reduz pela metade os ganhos de eficiência energética que calculamos acima, o que nos deixa com uma economia de energia de apenas 8,5% a 13,5%, dependendo dos tipos de baterias usadas . Estes números serão menores ainda devido a perdas de cabos. Em suma, um sistema AC / DC híbrido traz economias de energia bastante pequenas, que poderiam ser facilmente apagadas por efeitos rebote.
A segunda maneira de solucionar o problema dos dispositivos de alta potência é simplesmente não utilizá-los.
Esta é a abordagem que é seguida em veleiros, motorhomes e caravans, onde um sistema de distribuição de AC de suporte simplesmente não é uma opção.
Esta é a solução mais sustentável para os limites da energia CC, porque neste caso a escolha pela DC também resulta em uma redução da demanda de energia. A economia total de energia poderia, assim, se tornar muito maior do que os 17-27% calculados acima, e então finalmente teremos uma solução radicalmente melhor que poderia fazer a diferença.
Esta é a abordagem que é seguida em veleiros, motorhomes e caravans, onde um sistema de distribuição de AC de suporte simplesmente não é uma opção.
Esta é a solução mais sustentável para os limites da energia CC, porque neste caso a escolha pela DC também resulta em uma redução da demanda de energia. A economia total de energia poderia, assim, se tornar muito maior do que os 17-27% calculados acima, e então finalmente teremos uma solução radicalmente melhor que poderia fazer a diferença.
Uma maneira de resolver o problema dos dispositivos de alta potência é simplesmente não utilizá-los - essa é a abordagem que é seguida em veleiros, motorhomes e caravans.
Obviamente, esta estratégia implica uma mudança no nosso modo de vida. Isso significaria que a eletricidade é usada apenas para iluminação, eletrônica e refrigeração, enquanto alternativas não elétricas são escolhidas para todos os outros aparelhos. Não por acaso, isso é bastante semelhante ao modo como as redes de distribuição de energia foram operadas no final do século XIX, quando a única carga elétrica era para a iluminação - as primeiras lâmpadas de arco e as lâmpadas incandescentes posteriores.
Assim, não existia lava-louças, mas lavar a louça à mão.
Nenhuma máquina de lavar roupa, mas lavar a roupa em uma lavanderia ou com uma máquina operada manualmente.
Nenhuma máquina de lavar roupa, mas lavar a roupa em uma lavanderia ou com uma máquina operada manualmente.
Não há utensílios de cozinha convenientes e que economizam tempo, como chaleiras elétricas, microondas e máquinas de café, mas um fogão tradicional operado por (bio) gás, um fogão solar ou um fogão turbinado.
Nenhum aspirador de pó, mas uma vassoura e um batedor de tapetes. Sem congelador, mas ingredientes frescos.
Não há caldeira de água quente elétrica, mas uma caldeira solar e uma pequena lavagem na pia se o sol não brilha.
Nenhum carro elétrico, mas uma bicicleta.
Para descobrir o que é possível, estamos convertendo a sede da revista de baixa tecnologia em um sistema de 12V DC fora da rede - mais sobre isso no próximo post.
Escrito por Kris De Decker.
Editado por Jenna Collett.
Publicação BR - Technosol Sustentabilidade
Editado por Jenna Collett.
Publicação BR - Technosol Sustentabilidade
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