Uma nova pesquisa do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (Fraunhofer ISE) da Alemanha mostrou que a combinação de sistemas fotovoltaicos de telhado com armazenamento de baterias e bombas de calor pode melhorar a eficiência da bomba de calor e, ao mesmo tempo, reduzir a dependência da eletricidade da rede.
Pesquisadores do Fraunhofer ISE estudaram como sistemas fotovoltaicos residenciais em telhados podem ser combinados com bombas de calor e armazenamento de baterias.
Eles avaliaram o desempenho de um sistema fotovoltaico de bomba de calor e bateria baseado em um controle pronto para rede inteligente (SG) em uma casa unifamiliar construída em 1960 em Freiburg, Alemanha.
“Descobriu-se que o controle inteligente melhorou o funcionamento da bomba de calor, aumentando as temperaturas definidas”, disse o pesquisador Shubham Baraskar à revista pv. “O controle SG-Ready aumentou a temperatura de fornecimento em 4,1 Kelvin para o preparo de água quente, o que reduziu o fator de desempenho sazonal (FPS) em 5,7%, de 3,5 para 3,3. Além disso, para o modo de aquecimento ambiente, o controle inteligente reduziu o FPS em 4%, de 5,0 para 4,8.”
O FPS é um valor semelhante ao coeficiente de desempenho (COP), com a diferença de que é calculado em um período mais longo e com condições de contorno variáveis.
Baraskar e seus colegas explicaram suas descobertas em “Análise do desempenho e operação de um sistema de bomba de calor com bateria fotovoltaica com base em dados de medição de campo”, que foi publicado recentemente emAvanços na energia solar.Eles disseram que a principal vantagem dos sistemas de bombas de calor fotovoltaicas consiste no menor consumo da rede e nos menores custos de eletricidade.
O sistema de bomba de calor geotérmica de 13,9 kW é projetado com um reservatório de armazenamento para aquecimento ambiente. Ele também conta com um reservatório e uma estação de água doce para a produção de água quente sanitária (AQS). Ambas as unidades de armazenamento são equipadas com aquecedores auxiliares elétricos.
O sistema fotovoltaico está orientado para o sul e possui um ângulo de inclinação de 30 graus. Possui uma potência de 12,3 kW e uma área modular de 60 metros quadrados. A bateria é acoplada em CC e tem capacidade de 11,7 kWh. A casa selecionada possui uma área habitável aquecida de 256 m² e uma demanda anual de aquecimento de 84,3 kWh/m²a.
“A energia CC das unidades fotovoltaicas e de baterias é convertida em CA por meio de um inversor com potência CA máxima de 12 kW e eficiência europeia de 95%”, explicaram os pesquisadores, observando que o controle SG-ready é capaz de interagir com a rede elétrica e ajustar a operação do sistema de forma correspondente. “Durante os períodos de alta carga da rede, o operador da rede pode desligar a operação da bomba de calor para reduzir a sobrecarga da rede ou também pode realizar uma ligação forçada no caso oposto.”
Na configuração do sistema proposta, a energia fotovoltaica deve ser inicialmente utilizada para as cargas da casa, sendo o excedente fornecido à bateria. O excesso de energia só poderá ser exportado para a rede elétrica se a residência não necessitar de eletricidade e a bateria estiver totalmente carregada. Se tanto o sistema fotovoltaico quanto a bateria não forem capazes de suprir a demanda de energia da casa, a rede elétrica poderá ser utilizada.
“O modo SG-Ready é ativado quando a bateria está totalmente carregada ou em sua potência máxima e ainda há excedente de energia fotovoltaica disponível”, disseram os acadêmicos. “Por outro lado, a condição de disparo é atendida quando a potência fotovoltaica instantânea permanece inferior à demanda total do edifício por pelo menos 10 minutos.”
A análise considerou os níveis de autoconsumo, a fração solar, a eficiência da bomba de calor e o impacto do sistema fotovoltaico e da bateria no desempenho da bomba de calor. Utilizaram dados de alta resolução de 1 minuto de janeiro a dezembro de 2022 e constataram que o controle SG-Ready aumentou as temperaturas de fornecimento da bomba de calor em 4,1 K para AQS. Também constataram que o sistema atingiu um autoconsumo geral de 42,9% durante o ano, o que se traduz em benefícios financeiros para os proprietários.
“A demanda de eletricidade para a [bomba de calor] foi coberta em 36% com o sistema fotovoltaico/bateria, em 51% no modo de água quente sanitária e em 28% no modo de aquecimento ambiente”, explicou a equipe de pesquisa, acrescentando que temperaturas mais altas do dissipador reduziram a eficiência da bomba de calor em 5,7% no modo AQS e em 4,0% no modo de aquecimento ambiente.
“Para o aquecimento ambiente, também foi constatado um efeito negativo do controle inteligente”, disse Baraskar. “Devido ao controle SG-Ready, a bomba de calor operou em aquecimento ambiente acima das temperaturas de ajuste do ponto de aquecimento. Isso ocorreu porque o controle provavelmente aumentou a temperatura de ajuste do armazenamento e operou a bomba de calor mesmo sem que o calor fosse necessário para o aquecimento ambiente. Também deve-se considerar que temperaturas de armazenamento excessivamente altas podem levar a maiores perdas de calor no armazenamento.”
Os cientistas disseram que investigarão combinações adicionais de energia fotovoltaica/bomba de calor com diferentes conceitos de sistema e controle no futuro.
“Deve-se observar que essas descobertas são específicas para os sistemas avaliados individualmente e podem variar muito dependendo das especificações do edifício e do sistema de energia”, concluíram.
Horário da publicação: 13/11/2023