Chapter 10 - The use and role of flywheel energy storage systems

No capítulo 10 do livro Energy Storage at Different Voltage Levels: Technology, integration, and market aspects, é apresentado o papel e o uso dos sistemas de armazenamentos Flywheel. O capítulo é de autoria de Trevor J. Bihl.

As primeiras formas de uso do flywheel em sistemas elétricos foram na regulação do sistema de geração de energia e no amortecimento de vibrações. Além destas aplicações, o flywheel também passou a ser utilizado como forma de armazenar energia e o interesse neste tipo de uso é cada vez mais maior à medida que o desenvolvimento de novos materiais é realizado. Qualidade de energia, Space-based batteries e Uninterruptible Power Supplies (UPS) são outras aplicações que também podem envolver o uso de flywheels.

Um dos primeiros sistemas que utilizavam a essência do funcionamento de um flywheel pode ser visto na próxima figura. Este sistema é datado do começo do século XX e utiliza um motor/gerador que impulsiona o flywheel a girar e armazenar energia e quando esta energia é requerida, o motor/gerador transforma esta energia rotacional em energia elétrica.

Com o avanço da tecnologia, novos aprimoramentos ao sistema foram adicionados. Suspensão magnética possibilitando que o disco gire com menos atrito, componentes avançados na eletrônica, bombas de vácuo para diminuir o atrito com o ar e um sistema de contenção em caso de falha são alguns exemplos de aprimoramentos desenvolvidos.

A seguir, serão apresentados alguns detalhes evolvendo o aspecto construtivo de um flywheel:

Material

Vários materiais foram propostos para a construção de FES (Flywheel Energy Storage) como por exemplo aço, alumínio, fibras de carbono, titâneo, grafite, kevlar e alguns ainda estão em desenvolvimento (carbon nanotubes). A tabela a seguir demonstra todos os tipos de materiais que podem ser implementados na construção de um sistema de armazenamento flywheel.

Bearings (Rolamentos)

Tanto rolamentos mecânicos quanto magnéticos já foram desenvolvidos para sistemas FES. Uma desvantagem dos rolamentos mecânicos é o fato de que  eles requerem lubrificação, possuem perdas decorrentes do atrito e podem necessitar de um sistema de resfriamento. Rolamentos magnéticos possuem algumas vantagens em relação aos mecânicos pois eles sofrem menos com atritos e permitem uma maior velocidade de rotação do flywheel. Rolamentos magnéticos também funcionam melhor no vácuo que rolamentos mecânicos. Como desvantagem, eles necessitam de controle ativo e sistema de backup em caso de falha.

Motor/Gerador

Este equipamentos tem dois objetivos: agir como um motor para girar o flywheel retirando energia do suprimento e agir como um gerador extraindo energia rotacional do flywheel e utilizando sua rotação para gerar energia elétrica.

Existem algumas opções no mercado para selecionar o tipo deste equipamento: assíncrono, máquinas de sincronia magnética permanent (PMSM) e máquinas de reultância variável (VRMs). As máquinas assíncronas são mais utilizadas em aplicações envolvendo alta energia porém não são apropriadas para sistemas de FES que funcionam no vácuo pois requerem  sistemas de resfriamento devido a perdas do rotor. PMSMs podem operar no vácuo porém trazem o risco da desmagnetização. VRMs são os preferidos para a maioria das operações pois podem trabalhar no vácuo (com baixa perda do rotor) e não possuem problemas de desmagnetização. Devido a isso, são um pouco mais caros que máquinas assíncronas.

Eletrônica de Potência

Várias topologias podem ser utilizadas, por exemplo DC-AC, AC-AC, AC-DC-AC, e todas dependem do trade-off entre eficiência desejada e a fonte de energia. Por exemplo, sistemas DC-AC podem ser desejáveis para sistemas FES concetados entre um painel fotovoltaico ou gerador eólico e a rede.

Sistemas de Contenção

O maior risco existente em um sistema de flywheel é relacionado a falhas no rotor, visto que eles trabalham em alta velocidade. Devido a alta quantidade de energia, falhas podem resultados em sérios problemas como grandes prejuízos e até a morte. Um sistema de contenção é requerido para reduzir estes riscos e também criar uma condição para que estes sistemas possam trabalhar no vácuo.

High-Speed vs Low-Speed FES system

Comparações

Para comparar os tipos de energia, usamos métricas como o preço, duração do armazenamento, taxas de densidade de energia, ciclo de vida, eficiência e tempo de carregamento. Como pode ser visto na tabela, um sistema de FES ainda é caro. Porém, ao comparar com anos atrás, este custo vem diminuindo substancialmente ($1000–$5000 per kWh e $250–$350 per kW in 2009 versus $200–$150,000 per kWh e $30–$700 per kW in 2015).

Empresas que desenvolvem sistemas FES 

Em geral, as companhias produzem sistemas FES para específicos segmentos (transporte, UPS, microgrids) e foca em aplicações adequadas para cada área.

Aplicações

UPS

Flywheel UPS não conseguem segurar a carga por meses ou anos como uma bateria consegue. Porém, estes sistemas possuem a vantagem de serem minimamente influenciados devido aos efeitos do tempo de uso. Além disso, a maioria dos distúrbios nos EUA duram menos que 1 s, fazendo com que o pequeno tempo de armazenamento de um flywheel não seja um problema pois estes sistemas não necessitariam entregar energia constantemente à rede.

Power Quality

Hazle FES plant in Hazle, PA, USA - 20 MW

- 200 flywheels gen4 conectados em paralelo para prover 20 MW;

- A planta pode operar com 100% de DOD (Depth of Discharge) sem degradação de energia com o tempo;

- O sistema pode oferecer energia durante 20 anos ou mais;

Aerospace Flywheel Systems

Transportation Application (Electric Vehicle, KERS)

Catapult Launching Systems (EMALS)