O que é uma bateria VRLA?
Uma bateria VRLA (Valve Regulated Lead Acid) é simplesmente uma bateria de chumbo-ácido na qual o electrólito foi imobilizado para recombinar hidrogénio e oxigénio. Possui uma construção selada com válvulas de liberação de pressão para evitar a fuga de gases, é isso que lhe dá o nome.
Como o eletrólito não está mais em estado fluido, devido à mistura com sílica em pó para formar um gel ou absorvido em um tapete de vidro de textura fina, os gases produzidos não são livres para formar bolhas e subir até a superfície do eletrólito. Em vez disso, eles são presos na matriz imobilizada e forçados a viajar para os pólos opostos pelo gradiente de pressão produzido quando em carga. Em um líquido livre, isso seria impossível.
Em uma bateria VRLA, o oxigênio produzido no positivo migra para o negativo onde é reduzido para reformar a água.
- Reacção de sobrecarga na placa positiva: H2O = 2H+ + 2e- + 1/2O2
- Recombinação na placa positiva: 1/2O2 + Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2O
As primeiras baterias VRLA (silica gel) foram produzidas na década de 1930 pela Elektrotechnische Fabrik Sonnenburg, depois melhoradas e comercializadas pela Sonnenschein no final da década de 1950, novamente do tipo gel.
A bateria AGM surgiu no início dos anos 70 e foi a criação da Gates Rubber Corporation. Esta foi uma construção em espiral semelhante a um condensador. Foi na década de 1980 que a construção familiar da placa plana foi introduzida pela Chloride and Tungstone no Reino Unido. As modernas baterias VRLA são geralmente divididas em baterias AGM de placa plana e GEL de placa tubular, tendo a construção de placa tubular o benefício de uma longa duração e uma melhor resistência de ciclo profundo. A AGM beneficia de taxas de descarga mais elevadas e tempos de recarga mais rápidos. Como as baterias retêm e recombinam o oxigénio e o hidrogénio produzidos durante o carregamento, não precisam de ser recarregadas com água durante a sua vida útil garantida.
A este benefício da falta de manutenção acresce a capacidade de selar a bateria, o que impede a libertação de hidrogénio combustível. Outros benefícios que derivam da imobilização do eletrólito incluem o não derramamento ou vazamento de ácido corrosivo que torna o manuseio e o transporte mais seguros. Estes atributos são claras vantagens para empresas e consumidores, tornando esta tecnologia muito mais fácil de usar do que baterias de chumbo-ácido inundadas. Na operação comercial pode significar reduções de custos pela remoção de equipamentos de extração de gás e pode fazer melhor uso do espaço de armazenamento disponível devido à sua capacidade de operar em seu lado, dando opções de instalação mais flexíveis.
Com estas vantagens, não é surpreendente que a questão do que é uma bateria VRLA, seja respondida e considerada como o membro mais versátil e de mais fácil utilização da família de chumbo-ácido. Isto reflecte-se nas aplicações fora da rede em que esta tecnologia tem uma quota de mercado significativa. Existem 25 aplicações deste tipo discutidas neste blog.
Os primeiros setores do mercado a serem examinados são aqueles ligados à indústria do lazer, especificamente: Marine, campismo, carro de golfe e buggies de golfe. Em todas estas aplicações, é necessário que a bateria seja descarregada em profundidade. Embora os requisitos sejam semelhantes, o tamanho das cargas e o padrão operacional podem ser muito diversos. Um típico caddy de golfe eléctrico usaria uma capacidade de 12 V 18-35 ah para ser usado principalmente no Verão, provavelmente duas vezes por semana. Em contraste, um buggy de golfe que transporta passageiros num grande veículo comercial normalmente exigiria uma construção de 48V com uma capacidade total de até 200 Ah.
Eles seriam executados diariamente, geralmente descarregando até 80% da sua capacidade nominal. Neste tipo de operação comercial, os baixos custos de manutenção de uma bateria VRLA seriam uma vantagem. A vida do ciclo também é um fator importante: quanto mais longo for, melhor será o RTI. Em muitos casos, utilizando células tubulares em gel de 2V com melhor duração de ciclo e descarga profunda, a resistência aos danos faria muito sentido do ponto de vista económico.
Camping e campervan utilizam baterias para alimentar a iluminação e pequenos electrodomésticos, como uma TV ou um frigorífico. O uso é irregular e intermitente, mas geralmente de ciclo profundo na natureza. A falta de manutenção, ou produção de gás em carga e o design à prova de derramamento e manuseio seguro tornam as baterias VRLA ideais nestas situações. As baterias são invariavelmente um design monobloco para sistemas de 12 ou 24 V com capacidades que variam de 85 a 200 Ah. Estas baterias não estão normalmente em uso diário e em muitos casos são danificadas por longos períodos de armazenamento em estado descarregado ou semi descarregado, particularmente no Inverno ou fora de época.
O título de aplicações marítimas abrange utilizações desde uma barcaça eléctrica, utilizando as baterias como fonte primária de energia, até ao suporte de acessórios como um dispositivo de navegação e instalações como um frigorífico, TV ou iluminação da cabine. Quando a fonte primária de energia é para propulsão, a exigência é de uma saída longa e estável com explosões de pico ocasionais ao acelerar ou arrancar.
Para uso auxiliar, as saídas de potência são normalmente menores e mais variáveis à medida que o equipamento é ligado e desligado. Neste último caso, as baterias são normalmente recarregadas a partir do motor de propulsão enquanto este se encontra em funcionamento. Há também uma exigência marítima relativamente nova, a dos motores de corrico. São motores eléctricos e propulsores capazes de propulsar silenciosamente barcos de pesca na água sem assustar os cardumes de peixes próximos.
Os requisitos de tamanho, capacidade e tensão para aplicações marítimas variam muito e precisam ser identificados a partir do padrão de uso e do equipamento sendo alimentado. As barcaças eléctricas, por exemplo, podem funcionar a 110V, alimentando um motor eléctrico e todas as instalações de habitação a bordo. Muitas vezes isso requer células tubulares de gel de 2 V em uma configuração em paralelo em série para fornecer a tensão, a alta capacidade e a vida útil do ciclo necessária para o sistema elétrico.
No caso de fornecimento de equipamento auxiliar, é mais comum o uso de um design monobloco. Estes seriam monoblocos de 12V com capacidades que variam de 80 a 220 Ah. Os motores de trolling, no entanto, normalmente levam uma bateria de 12V 35 ah.
A próxima categoria a considerar é a da fonte de energia ininterrupta(UPS). Nisto, a bateria tem de fornecer uma explosão muito curta de corrente elevada para compensar uma queda momentânea de energia ou tensão. É geralmente usado para equipamentos como transmissores de rádio ou computadores para evitar interrupções nas transmissões ou perda de programas e dados. Nesta categoria, podemos incluir: centrais telefónicas, torres de telecomunicações, pequenas comunicações, terminais de PC, TIC, salas de servidores, centros de dados e redes baseadas em transformadores industriais. Nestes casos, a necessidade de energia é satisfeita por explosões intermitentes e rápidas de corrente elevada.
Embora frequentes, estas são descargas rasas e devido à condição de recarga constante, as baterias nunca são descarregadas profundamente. Para uso comercial não industrial, a falta de gases e vapores ácidos permite a utilização de baterias em ambientes de escritório e de alta tecnologia, onde há pessoal e equipamento eletrônico sensível. Os custos de manutenção mais baixos, quando comparados com baterias inundadas, é outra atração significativa.
As tensões de operação podem variar muito desde uma alimentação para um único PC doméstico até uma alimentação industrial trifásica AC de 440V. Enquanto a maioria das instalações utiliza monoblocos de 12V em configurações em série/paralelo para satisfazer os requisitos de tensão e autonomia da aplicação, as instalações industriais de maiores dimensões optam frequentemente por uma opção de gel tubular de 2V. As capacidades podem variar de 25 Ah para um pequeno escritório ou instalações domésticas, até 250 Ah para uma UPS industrial. Para operações de energia em espera, existem requisitos diferentes dos da UPS.
Estas podem ser descargas profundas intermitentes ou regulares com uma recarga completa para cobrir uma contingência, como iluminação de emergência, operação de equipamentos de teste portáteis utilizados, por exemplo, no monitoramento ambiental ou dispositivos portáteis de comunicação, como walkie talkies para uso militar. Alarmes e sistemas de segurança, energia de backup de escritório ou telefone teriam perfis de utilização semelhantes, ou seja, descarga profunda intermitente a 80% da capacidade.
- As aplicações, em que o equipamento é ciclado regularmente, incluiriam usos como sinalização temporária de tráfego, iluminação móvel, áreas domésticas e industriais com interrupções programadas de energia, instalações híbridas a diesel ou instalações de energia solar. Todos estes terão tempos de funcionamento definidos e serão normalmente uma ocorrência diária.
Não há tamanho ou configuração ideal da bateria, pois há grandes variações de consumo de energia e tensões de operação. Para instalações maiores, frequentemente as baterias de gel tubular de 2V são a melhor solução devido à sua capacidade de suportar descargas profundas e à sua vida útil de ciclo superior. Para operações menores ou menos onerosas, as baterias monobloco são geralmente preferidas, particularmente quando há restrições de espaço. O tamanho da instalação de uma bateria dependeria da tensão de operação, da carga e do tempo de funcionamento do equipamento.
Nem todos os setores do mercado se enquadram perfeitamente em uma categoria. Muitas torres de telefonia celular e outros sistemas de radiocomunicação usam bateria de reserva como reserva ou fonte de energia regular, dependendo da qualidade e disponibilidade de uma fonte local (se houver). Em ambos os casos, o mais provável é que haja um requisito de ciclo profundo para a bateria. O tipo de bateria mais comum é a monobloco de 12V devido à sua alta densidade de potência, dimensões compactas e facilidade de montagem. Em algumas grandes torres de alta potência, as células VRLA de 2V montadas nos seus lados são a melhor solução. A falta de manutenção e produção de gás, torna a bateria VRLA ideal para locais remotos, particularmente onde as baterias são instaladas em espaços confinados.
A outra grande categoria que abrange vários mercados é a da bateria de tracção, que é a principal fonte de energia motriz de um dispositivo em movimento. Isto aplica-se a categorias de veículos, desde empilhadeiras a bicicletas elétricas para uso industrial e privado. Em todos os casos, é necessário descarregar profundamente a bateria. Para os empilhadores, a falta de custos de manutenção é um grande benefício. A desvantagem, porém, é que as baterias levam mais tempo para recarregar, são mais caras e não podem ser descarregadas tão profundamente quanto as suas contrapartes inundadas. No entanto, isto tem de ser equilibrado com os custos das células inundadas, o que inclui o equipamento de extracção de fumos.
Há outro benefício significativo devido à falta de vapores ácidos e gás liberado na carga. Num armazém de alimentos fechado, mesmo com equipamento de extracção de ar, alguns fumos ácidos do carregamento permanecerão dentro da bateria inundada que escapam durante o funcionamento da empilhadora e podem contaminar os alimentos armazenados. A bateria ideal para este mercado que inclui porta-paletes eléctricos, é a pilha tubular de 2V, normalmente nas configurações das séries de 12 a 80 V. A capacidade pode variar entre 25 Ah para uma paleteira até 1.000 Ah para uma empilhadeira de grande tonelagem.
O uso não industrial abrange mercados como as lambretas de mobilidade e as cadeiras de rodas para condições médicas. Existe um pequeno sector que utiliza baterias de chumbo-ácido para e-bikes, riquixás e pequenas aplicações EV que são consideradas como não de uso exclusivo. Todas estas aplicações requerem baterias de design compacto com uma densidade de energia bastante elevada. Isto é fornecido principalmente pela gama monobloco de baterias.
Uma utilização invulgar das baterias VRLA é a do arranque do motor. No entanto, muitos veículos modernos estão a utilizar as versões AGM apenas para esse fim. Devido ao seu eletrólito imobilizado, é menos propenso a falhas por estratificação e sulfatação de eletrólitos do que os projetos inundados. É particularmente adequado para veículos stop-start onde a vida útil de uma bateria inundada pode ser de apenas 6 meses. Por ter um tapete de vidro altamente comprimido que mantém no lugar o material activo das placas, é muito adequado para veículos todo-o-terreno e todo-o-terreno onde o choque e a vibração podem facilmente danificar as placas das baterias inundadas.
Como custa mais do que uma bateria inundada, não é um componente padrão na maioria dos automóveis produzidos em série. No entanto, é uma escolha natural para o mercado de veículos de luxo onde o seu elevado poder de arranque, vida útil mais longa e capacidade superior de arranque a frio são considerados como valendo a pequena despesa adicional.
Ossubmarinos dependem inteiramente da energia da bateria quando submersos, já que não há oxigênio para abastecer um motor de combustão. Os tamanhos dos submarinos variam desde pequenos barcos de lazer e pesquisa até barcos militares submarinos com cerca de 70 metros de comprimento e pesando mais de 2.000 toneladas. Os submarinos militares têm usado tradicionalmente desenhos tubulares muito grandes inundados de cerca de 2.000 Wh por célula com até 175 células ligadas em série. Por razões óbvias, ter baterias que não produzem gás explosivo a bordo de uma embarcação selada é altamente desejável. Em uso militar, as baterias são normalmente carregadas dos motores diesel quando a embarcação está na superfície e devidamente ventiladas.
No entanto, se o trabalho de manutenção da bateria em condições muito apertadas e difíceis for removido, é uma grande vantagem. Por ser uma aplicação de descarga profunda e uma vida útil de ciclo mais longa significa menos tempo de paragem para substituir as baterias, as células tubulares de gel de 2V são uma escolha óbvia e quase obrigatória para esta aplicação. Em contraste, uma pequena embarcação de pesquisa e lazer pode usar baterias monobloco para economizar espaço. Devido à diversidade de desenhos, as tensões e capacidades de operação podem variar enormemente.
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