Qual o tamanho da bateria solar necessária para armazenar toda a eletricidade da minha casa?
(shkspr.mobi)- Em uma casa comum nos subúrbios de Londres, foram registrados 3.800kWh de geração anual e o mesmo consumo anual
- Como há excedente de eletricidade e déficit de eletricidade conforme a estação, é necessária uma bateria gigantesca para alcançar autossuficiência ao longo do ano
- Com base em dados diários reais, o uso foi de 9,7kWh e a geração de 19,6kWh, mas como o momento do consumo difere do momento da geração, foi necessária uma bateria de 13kWh
- A análise de um ano inteiro de medições reais mostrou que, para usar no inverno a sobra do verão, seria necessária uma capacidade de cerca de 1.068kWh (1MWh)
- Na prática, instalar uma bateria desse porte em uma residência é tecnicamente e economicamente inviável; questões mais importantes são um projeto eficiente e a queda no preço das baterias
Análise da capacidade de bateria solar necessária para armazenar toda a eletricidade da casa
Visão geral
- Trata-se de um caso real que começou com pequenos painéis solares instalados em uma casa comum nos subúrbios de Londres
- Em média, gera 3.800kWh por ano, e a residência consome os mesmos 3.800kWh por ano
- Porém, como nem toda a eletricidade é usada ao mesmo tempo, o excedente de energia ocorre no verão e, no inverno, ainda é preciso comprar eletricidade
- O objetivo é calcular a capacidade de bateria necessária para alcançar autossuficiência energética completa
Fluxo de energia em um dia de verão
- Gráfico:
- Linha amarela: geração solar (aumenta após o nascer do sol, atinge o pico ao meio-dia e cai até o pôr do sol)
- Linha vermelha: consumo elétrico da casa (há um grande pico por volta das 19h, no horário de cozinhar)
- Linha azul: uso/fornecimento da rede elétrica externa (antes do nascer do sol há importação; depois disso, também pode haver fornecimento para a rede; à noite o consumo aumenta)
- Os dados reais medidos (consumo em W/geração em W em alguns momentos) são usados para calcular se há excedente ou déficit de energia
- Em um certo dia de verão, a casa usou 9,7kWh e gerou 19,6kWh, então à primeira vista parece que uma bateria de 9,9kWh bastaria
- Na prática, como o padrão de consumo e o padrão de geração são diferentes, a necessidade máxima de armazenamento simultâneo chega a 13kWh
Análise acumulada de um ano inteiro de dados
- Com base no período de fim de março até o fim de março do ano seguinte, a geração passa a superar o consumo a partir da primavera, e o excedente vai se acumulando
- Um código em Python calcula a diferença acumulada entre geração e consumo de cada dia para chegar à capacidade total de bateria necessária
- O pico acumulado anual chega a 1.068kWh (1MWh), o que é uma capacidade muito grande para uma bateria residencial
- Em alguns momentos, por causa de variações no clima e no consumo, ainda há necessidade da rede elétrica externa
Realidade e limitações
- A análise se baseia em dados individuais que refletem a vida cotidiana
- Variáveis como carga de veículo elétrico e a transição do gás para a eletricidade afetam a capacidade realmente necessária
- Com a tecnologia atual, instalar uma bateria residencial de 1MWh é inviável
- Existem vários problemas práticos, como impacto ambiental, eficiência da bateria e aproveitamento da capacidade excedente
- Soluções como upgrade dos painéis, melhora na eficiência do armazenamento e uso da rede como recurso energético distribuído são, na prática, mais razoáveis
Viabilidade econômica e perspectivas futuras
- No momento atual, construir uma bateria de 1MWh exige um custo de 100 mil a 500 mil libras
- Também há custos adicionais de manutenção, espaço e diversas autorizações
- Felizmente, o preço das baterias de íon-lítio caiu 90% nos últimos 10 anos, e novas tecnologias como baterias de íon-sódio indicam uma queda de preço ainda mais rápida
- No futuro, o custo de uma bateria residencial pode cair para algo em torno de 8.000 libras
- A combinação de solar distribuída + bateria tem vantagens como redução de custos, independência energética e menor controvérsia sobre uso do solo
Conclusão
- No cenário atual, ter uma bateria de 1MWh em cada casa tem baixa viabilidade
- No entanto, considerando a inovação tecnológica e a queda de preços, é possível que casas autossuficientes baseadas em energia solar + baterias de grande capacidade se popularizem em um futuro próximo
- Um sistema solar residencial pode oferecer efeito e viabilidade econômica suficientes mesmo com o clima do Reino Unido
- Um “futuro brilhante e ensolarado”, em que todas as casas armazenam por conta própria até o excedente anual entre produção e consumo, pode se tornar realidade
1 comentários
Comentários no Hacker News
Tenho 3 baterias em um sistema da Tesla e insisti bastante em adicionar 8 kW de painéis no lado oeste do telhado, contrariando a recomendação da equipe de engenharia da Tesla na época da instalação. A eficiência no lado leste era de 74% e no oeste, 72%, um pouco menor, mas ao modelar meu histórico de consumo por hora vi que eu acabava esgotando as baterias principalmente à noite. O que eu queria otimizar não era a geração diária, e sim a geração por faixa horária. No fim, com 14 kW de painéis e 3 baterias, vivo totalmente off-grid por 9 meses do ano. No inverno, chega a cair 7 pés de neve e há árvores muito grandes ao redor da casa, mas acho que o ganho é realmente enorme quando o sistema é configurado com base no uso real. Muitos projetam o sistema só com médias diárias, mas quero enfatizar que ele deve ser baseado no padrão real de consumo. Se a companhia elétrica desse crédito suficiente pelo excedente gerado, a conversa seria outra, mas na prática a maior parte do benefício fica com a empresa, então eu aconselharia avaliar isso com cuidado
Também operamos uma microrrede de 100 kW na ilha de Hispaniola, e deixamos a maior parte dos painéis otimizada para o sol das tardes de inverno ou espalhada em direções aleatórias no céu. Essa disposição aleatória produz até mais energia do que uma configuração fixa a 12 graus voltada ao sul, porque a luz intensa instantânea que buscamos muda continuamente de posição no céu conforme a nebulosidade e as nuvens em altitude. Além disso, se apontarmos ao sul, parte dos painéis fica voltada para as montanhas e recebe menos luz. Meu conselho é instalar o máximo de painéis que puder. Com apenas 3 horas de sol conseguimos carregar totalmente as baterias da fazenda e de 6 casas, e mesmo em dias nublados ainda geramos o suficiente. Ainda usamos o gerador em cerca de 60 dias por ano, mas com essa quantidade de combustível (300 galões por ano), uma pequena fazenda e 6 casas vivem sem problemas de eletricidade
O sistema Powerwall prioriza o carregamento das baterias acima de tudo. A energia gerada ao longo do dia seria usada para encher as três baterias, então fico curioso sobre por que você não escolheu um modelo baseado na otimização do armazenamento por faixa horária. Não seria o caso de os 74% renderem mais no total gerado do que os 72%?
Só existe realmente US$ 1 de receita de geração elétrica quando venda e compra acontecem ao mesmo tempo e no mesmo lugar. Um preço justo precisaria refletir o preço de mercado naquele momento, menos os custos de transmissão e venda, e menos também a queda do preço de mercado causada pelo aumento da oferta. Dependendo do país, a diferença entre o preço no dia da venda e no dia da compra pode ser grande. Na Europa, o preço de mercado às vezes fica negativo, então o excedente de produção pode nem ser vantajoso para a companhia elétrica
Nossa casa tem um telhado pequeno, então instalamos 1/3 dos painéis a leste, 1/3 a oeste e 1/3 ao sul. Em teoria, se o telhado fosse grande o suficiente, talvez tudo voltado ao sul fosse melhor, mas como a PG&E vive mudando o horário de pico, a geração da tarde rende mais crédito. Então, quando ampliarmos a casa, pretendo colocar a maioria dos painéis no lado oeste. Também planejamos adicionar ar-condicionado no futuro, então isso deve ajudar a atender a demanda nos horários de pico
Também moro num lugar com muitas árvores grandes por perto. Usei o SunCalc para calcular as sombras e foi muito útil. Fiquei surpreso vendo o tamanho das sombras em diferentes épocas do ano
A pergunta que ainda atormenta os jogadores de Factorio: artigo da wiki sobre proporção ideal
Armazenar no inverno a energia guardada no verão é realmente muito ineficiente. É mais econômico superdimensionar bastante os painéis solares para que até a média do inverno receba energia suficiente. Aí bastaria ter bateria para umas 2 semanas em caso de dias nublados. O problema é que em telhados residenciais comuns não há espaço para tantos painéis ou para uma bateria de 1 MWh
Se realmente for necessário viver off-grid, então no inverno rigoroso, nublado e com neve, no fim você vai precisar de um gerador a combustível fóssil. Fora isso, acho que simplesmente usar a rede já basta
Também vivo off-grid no interior da Califórnia, e meus painéis são grandes o bastante para manter o ar-condicionado funcionando enquanto há sol, mas no inverno mal conseguem tocar o ventilador do aquecedor a gás. Com 5 kW de painéis e 24 kWh de bateria, passo o verão inteiro muito bem numa casa de 1300 pés quadrados, mas no inverno, quando vem uma sequência de dias frios e chuvosos, a bateria zera e eu recarrego com gerador. As nuvens leves de verão não atrapalham, mas as nuvens de tempestade de inverno derrubam o desempenho dos painéis a ponto de não conseguirem nem tocar uma geladeira de 200 W
Uma bateria de 1 MWh na verdade nem é tão grande assim. Hoje em dia já existem caminhões elétricos com baterias de 600 kWh, e só isso já caberia tranquilamente num canto do porão
Armazenar eletricidade em escala sazonal é difícil na prática, mas em forma de calor é possível. Já existem projetos em operação, como conjuntos residenciais na Holanda, que geram calor com eletricidade barata no verão e o armazenam em basalto link relacionado 1
Wiki relacionada
Eu fiz algo desse tipo também. Estou tocando uma casa que consome 6000 kWh por ano com 90 kWp de solar. Sair expandindo bastante os painéis saiu muito mais barato do que baterias caras (€ 90.000 no total). Fiz eu mesmo a instalação e os inversores, e chamei eletricista só para a parte em CA
Espero que baterias LFP e de íon-sódio em breve garantam mais de 5000 ciclos de vida útil (talvez isso já exista). Mesmo descarregando totalmente uma vez por dia, ainda daria para usar por mais de 15 anos, embora eu ache que a degradação por calendário possa ser mais rápida. Quanto maior a vida em ciclos, menor o custo nivelado do armazenamento (LCOE), e isso é o ponto mais importante. Para cobrir períodos longos, o ideal seria um sistema reserva de longo prazo, como um gerador a diesel para rodar só 1 ou 2 semanas por ano. Seria ainda melhor com V2G, 3 dias de backup e um modo de emergência de baixo consumo na casa. Também seria ideal instalar o máximo possível de solar pensando na carga de inverno. As baterias não parecem ser o fator que mais eleva o custo
A menos que você more num lugar com pouco sol, acho melhor um sistema solar de tamanho adequado com chave de transferência para queda de energia do que manter um gerador a diesel como reserva de longo prazo. Se o sistema for bem montado, ele consegue recarregar as baterias durante o dia e operar off-grid por bastante tempo mesmo em caso de apagão. Um gerador a diesel traz custos de manutenção anuais acumulados e não gera nenhum benefício em operação normal. Já a energia solar ajuda a reduzir a conta de luz no dia a dia ou até gerar receita. Claro, em regiões muito escuras essa lógica tem limite. E o consumo elétrico varia absurdamente entre residências, especialmente por causa de aquecimento e ar-condicionado, então isso também é um fator importante
Como fonte reserva de longo prazo, GNL/propano etc. são muito melhores do que diesel. Em uso regular, geradores a CH4 acumulam muito menos sujeira internamente, enquanto combustíveis líquidos são sujos e estragam com o tempo. Diesel só vale a pena se você puder bancar o custo
Para LFP se espera algo entre 8 mil e 12 mil ciclos, e para íon-sódio entre 15 mil e 20 mil. Isso pode ser confirmado em garantias de fabricantes e em várias fontes
artigo relacionado
Este texto na verdade tira a conclusão usando como exemplo um ciclo anual de uma bateria de 1 MW. Ainda sobra alguma descarga para depois da noite, mas se forem apenas alguns kWh em 1 MW, isso é muito pouco. Se olhar só para a vida em ciclos, 5 mil ciclos significaria durar 5 mil anos até a capacidade cair para 0,8 MW. Como muita gente comentou, a estabilidade química continua melhorando, então hoje 5 mil ciclos já é até pouco
Moro numa casa off-grid no sudoeste dos EUA, e 4 kW de solar com 43 kWh de bateria atendem 100% da demanda, incluindo ar-condicionado. Recentemente, uma bateria de 43 kWh com certificação UL custa US$ 5.400, já com frete e impostos. Nessa faixa, isso é muito econômico na maior parte dos lugares. Acho os preços de alguns itens, como o Tesla Powerwall, completamente absurdos. Claro que a instalação completa inclui rack, cabos, barramentos, disjuntores e outros materiais, mas o preço que mencionei é só da caixa da bateria com BMS incluído
A proporção entre geração e armazenamento parece pequena demais; fiquei na dúvida se o seu consumo diário está na faixa de 10 a 15 kWh e se você superdimensionou a bateria para enfrentar frio extremo. Quero dizer: será que isso está mesmo certo?
Se você souber um fornecedor que venda bateria de 43 kWh com certificação UL por US$ 5.400, por favor me avise
Fiquei curioso para saber qual é exatamente essa bateria que você acabou de mencionar
Você falou em bateria UL por US$ 5.400 com frete incluso, mas a instalação é por conta própria (DIY)? O custo de instalação fica à parte?
Sistemas parecidos que eu pesquisei custam o dobro do que foi citado aqui e têm metade da capacidade. Estou muito curioso para saber a marca e o modelo
Se o objetivo for só acertar o custo, a bateria necessária fica muito menor quando você combina um grande conjunto de painéis com TOU (tarifa por horário). Eu tenho 3 EVs, 12,8 kWp de painéis e uma bateria de 10 kWh, e com TOU (7 p/kWh à noite, 27 p/kWh no horário normal) e venda do excedente sazonal (15 p/kWh), minha conta de luz fica negativa. Isso pode mudar se a geração passar a ser mais fortemente renovável, mas nas condições atuais vou atingir o ponto de equilíbrio muito antes do previsto
Dá para ver que isso não é um lugar onde o incentivo às renováveis esteja no centro. Nos EUA, pelo contrário, a energia renovável vem sendo tratada quase como problema. O governo pode até tentar em breve rever os subsídios para solar residencial e EV. Afinal, também vai precisar compensar as renúncias fiscais
Eu fui fazer essas contas e, como a empresa de energia não oferecia uma ferramenta dessas, acabei criando minha própria calculadora
Acho esse tipo de configuração bastante impressionante para o Reino Unido. Eu sigo a linha econômica, usando só bicicleta elétrica e trem, e até pensei que os trens da Escócia, movidos também a energia eólica, já fossem uma boa solução. Mas, fazendo as contas, mesmo com sua conta de luz abaixo da taxa fixa, no gasto total você ainda está pagando mais do que eu. As passagens de trem também são caras e, embora com reembolso recente eu ainda consiga fazer ida e volta por menos de £100 em média, isso me faz repensar minhas escolhas de vida. Fico me perguntando se a rota da economia não acaba saindo pior. Já faz tempo que tarifa feed-in e subsídio do governo deixaram de ser fáceis, então percebi tarde que EV acaba sendo muito mais vantajoso
No curto prazo, acho que bastaria deixar uma bateria buffer de 5 kWh para o pico da noite. Eu mesmo comecei assim antes de migrar de vez para off-grid, e decidi porque 70% da conta de luz eram custos fixos e nem havia remuneração pelo excedente. Se algum dia for aprovada algo como uma “conexão gratuita à rede”, acho que seria possível depositar 10 kWh de energia amanhã e receber crédito futuro de 5 kWh. Um sistema assim faria a demanda por energia solar crescer muito
Mesmo que você injete 10 kWh quando o preço da energia estiver no mínimo, é difícil que isso seja reconhecido como 5 kWh no pico. Na prática, seria algo entre 0,1 e 1 kWh. O modelo atual na minha região é que o Estado assume a estabilidade da rede e, em troca, cobra tarifa fixa e impostos. Dar crédito pela produção excedente, do ponto de vista do governo, acaba sendo quase um subsídio
Quando casas suburbanas produzem energia excedente, o custo de manutenção da rede por pessoa fica altíssimo, por causa da distância. Se o seu modelo fosse adotado, no fim donos de casas no subúrbio estariam sendo subsidiados pelos moradores de apartamento para manter conexão com a rede. As políticas iniciais de subsídio vieram muito mais da política do que da lógica das companhias elétricas, e criaram expectativas exageradas nas pessoas. Na prática, a eletricidade pode ser barata, mas a infraestrutura é cara. O mais razoável é maximizar o autoconsumo e pagar só pelo que faltar
Procure por “net metering” ou NEM; isso já existe em vários países
Em vez de uma bateria maior, não seria melhor instalar mais painéis pensando no inverno e simplesmente desperdiçar o excedente no resto do ano? Mas, na prática, talvez algo como 2 semanas de armazenamento seja o mais realista. Como os preços mudam com frequência, é preciso refazer as contas de tempos em tempos e avaliar o estado do sistema
Como alguns comentários já disseram, no Reino Unido onde o autor mora, o problema é a falta de área de telhado. Minha casa isolada também só comportou 14 painéis (14 × 465 W, voltados a leste e sul), e para instalar mais 5 me cobraram 40% a mais, o que mostra como há barreiras reais. Mais painéis ajudariam a compensar a demanda de pico à noite, mas parece que a instaladora simplesmente não queria fazer o serviço e aplicou um aumento absurdo. No verão, minha geração diária às vezes passou de 100% e, dentro da estrutura atual em que vendo o excedente de verão para recarregar a bateria nas noites de inverno, com a tarifa atual (24 p/kWh para venda, 15 p/kWh para carga) parece que ainda fecha a conta. Mas, como é bem provável que os incentivos caiam ano a ano, isso pode piorar no futuro
(autor) Meu telhado também já está lotado dos dois lados. A menos que a eficiência dos painéis aumente bastante, minhas únicas opções são trocar os atuais ou instalar mais em um anexo (abrigo, galpão). No inverno, desde que os painéis não fiquem cobertos de neve, eles ainda produzem um pouco, mas para sustentar meu consumo normal a eficiência teria de aumentar 20 vezes
Depende da região, mas no centro-norte da Europa a produção real dos painéis entre setembro e março fica quase em zero. O clima é nublado, os dias são curtos e a própria luz do sol mal chega ao solo
Aqui também, no inverno, por causa de nuvens, dias curtos e ângulo baixo de incidência, a produção solar cai quase a zero. Não importa quantos painéis você adicione, esse período continua inviável
Moro numa região ainda mais próxima do Ártico. A produção real em 2024 do meu sistema de 17,6 kWp (voltado ao sul, 44 painéis) foi a seguinte:
Maio: 2494 kWh,
Junho: 2323,
Julho: 1915,
Agosto: 1634,
Setembro: 1008,
Outubro: 442,
Novembro: 185,
Dezembro: 31,
Janeiro: 43,
Fevereiro: 335,
Março: 980,
Abril: 1510
Não consigo deixar de sentir que solar residencial é uma espécie de golpe para empurrar a responsabilidade da crise climática para o consumidor. Parece óbvio que o ROI de grandes usinas fotovoltaicas é muito melhor do que o de pequenos sistemas domésticos
Concordo que o ROI de grandes usinas é maior do que o residencial, mas instalar de forma distribuída nas casas tem a vantagem de permitir que uma enorme quantidade de solar seja implantada muito rapidamente num prazo curto (centenas de milhares de pessoas investem de imediato, e cada uma resolve terreno e instalação por conta própria). Para o governo, isso também melhora o ROI nacional, porque a capacidade solar cresce sem que o Estado precise investir em terreno, financiamento ou infraestrutura de transmissão. E, quanto à questão da responsabilidade, acho justo que indivíduos assumam parte dela, já que boa parte da sociedade também perdeu oportunidades de reduzir emissões de gases de efeito estufa por decisões pessoais, como o uso de carros
Quando você olha a conta de luz, os custos da rede costumam ser maiores do que o custo real de geração. A solar local pode reduzir a necessidade de expansão massiva da rede, então isso é especialmente importante em países como os EUA, onde ampliar a rede é politicamente difícil. Nos EUA, a solar residencial só é cara pelo custo de instalação (na Austrália sai de 3 a 5 vezes mais barato), porque sua eficácia em si já está bem demonstrada. Também é bom lembrar que a solar residencial representa uma ameaça estrutural para as companhias elétricas, então há muitos comentários que parecem neutros, mas na prática defendem interesses do setor
A solar residencial não exige terreno adicional, reduz a necessidade de novas linhas de transmissão e reduz perdas de transmissão. Também há vantagens de escala no pequeno porte. Já as baterias poderiam ficar concentradas em instalações do tamanho de armazéns perto dos centros de consumo. Aí o custo de transmissão seria minimizado
Precisamos fazer as duas coisas: solar industrial e solar individual. A PV de utility scale é mais barata do ponto de vista comercial, mas a geração distribuída oferece a melhor resiliência em eventos climáticos extremos e apagões, especialmente quando combinada com baterias. Depois de passar por vários apagões no meu bairro, esse sistema me deu tranquilidade suficiente para justificar uma tarifa mais alta. E, com o tempo, o efeito de proteção contra preços também é muito grande
Esse tipo de geração distribuída é a melhor revolução de todas, porque não precisa da permissão de ninguém. Não dá para subestimar o valor da descentralização
As redes elétricas dos países desenvolvidos têm bastante folga porque o consumo caiu ao longo de muito tempo. Pelas estatísticas que vi, o pico de demanda no Reino Unido está 30% abaixo do recorde histórico. Por isso, mesmo que a posição entre fontes e consumo mude com as renováveis, ainda existe capacidade para aguentar. Claro que, com a popularização do V2G, será preciso reforço na ponta da rede, mas o risco não parece tão grande quanto se imagina
link relacionado 1
link relacionado 2
Depende do caso. Na região vizinha, a rede já está tão saturada que chegaram a suspender novas licenças para data centers. A IA está anulando boa parte dos ganhos de eficiência acumulados nas últimas décadas
A capacidade atual está no lugar errado. O Reino Unido fechou usinas a carvão na região central e as novas fontes estão concentradas em eólicas offshore no norte. Por isso há planos para conexões HVDC submarinas no eixo norte-sul
Em algumas regiões do meu país, novas ligações industriais estão sendo limitadas por falta de capacidade da rede
artigo relacionado
A eletrificação do aquecimento e do transporte deve aumentar bastante a demanda de energia daqui para frente
Quando se diz que “as redes dos países desenvolvidos têm folga”, isso na prática vale só para o Reino Unido e alguns outros países desindustrializados. Nos EUA e em outras partes da Europa, a demanda vem subindo continuamente por causa da eletrificação e da IA