A Smart Grid

1.      Introdução

A energia elétrica produzida por grandes unidades geradoras é transportada até a rede local de distribuição aos consumidores através da rede de transmissão, algumas vezes por consideráveis distancias. Os sistemas de geração e transmissão, em geral, possuem uma boa estrutura de comunicação, de forma a garantir o funcionamento eficaz e seguro mesmo durante grandes perturbações. A distribuição, porém, sendo majoritariamente passiva, possui poucos recursos de comunicação, controle e monitoramento de grandezas básicas como tensão e corrente. A Smart Grid é a aplicação de novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TICs) visando suprir essa carência, tornando a operação do sistema de distribuição mais eficaz e flexível e menos dispendioso. Ela ainda possibilita a ampliação do uso de geração a partir de fontes renováveis e, através de medidores inteligentes, o melhor monitoramento e controle do fluxo de energia. 

2.      Por que implementar o Smart Grid agora?

2.1. Envelhecimento de ativos e falta de capacidade do circuito

O sistema elétrico de muitos lugares já ultrapassou sua expectativa de vida útil e a substituição dos equipamentos existentes por outros idênticos, não sendo financeiramente interessante, abre oportunidade para uma atualização do projeto. Em alguns casos, a barreira tem sido a limitação da capacidade do circuito, dentro de suas restrições, exigindo um gerenciamento mais inteligente.

2.2. Restrições térmicas

Restrições térmicas estão ligadas ao excesso de corrente, além da capacidade de transferência da linha, causando a redução da vida útil, aumento da ocorrência de falhas e redução da segurança de operação.

2.3. Restrições operacionais

Há limites predefinidos de tensão e frequência, tanto superiores quanto inferiores, e sua violação pode causar danos, falhas e riscos à segurança. O desequilíbrio entre geração, inclusive distribuída, e demanda pode causar essa quebra de limites. Tentativas de evitar tais situações pode resultar em elevação do investimento necessário. A ampliação de geração renovável, principalmente solar e eólica, sendo difícil de ser prevista, contribui para o agravamento da situação, enquanto a popularização de veículos elétricos, e consequente ampliação da capacidade de armazenamento do sistema, contribui no sentido da melhora do quadro.

2.4. Segurança do abastecimento

Tradicionalmente são utilizados circuitos redundantes para garantir uma confiabilidade maior no sistema, causando aumento nos custos. A Smart Grid oferece a possibilidade de reconfiguração inteligente pós-falha, sendo esta inevitável. 

2.5. Iniciativas nacionais 

Muitos governos estão incentivando iniciativas de Smart Grid como uma maneira econômica modernizar a infraestrutura do seu sistema energético, permitindo a integração de recursos renováveis e criar uma importante oportunidade para desenvolver novos produtos e serviços.

3.      O que é a Smart Grid?

O Departamento de energia dos EUA define Smart Grid como “A rede inteligente utiliza tecnologia digital para melhorar a confiabilidade, segurança e eficiência (tanto econômica e energética) do sistema elétrico, desde a grande geração até os sistemas de distribuição para consumidores de eletricidade e um número crescente de recursos de geração distribuída e de armazenamento”. Outras fontes acrescentam, em suas definições, conceitos importantes como integração, comunicação, sustentabilidade e diversificação de fontes. 

A literatura apresenta uma série de atributos interessantes de uma rede inteligente, entre eles o gerenciamento de demanda através de medidores inteligentes, com participação ativa dos próprios consumidores. A facilitação da integração de fontes de energia renovável e microgeração distribuída assim como a abertura de acesso aos mercados também são características relevantes.  Por último, a reconfiguração autônoma da rede, quando necessário, gera melhora na confiabilidade e segurança do fornecimento, antecipando e otimizando a resposta do sistema a grandes perturbações.

4.      Iniciativas em Smart Grids

4.1  Redes de distribuição ativas

Uma rede de distribuição com presença de geração distribuída difere de uma rede passiva típica em vários pontos: o fluxo de energia não é unidirecional, tendo a direção e magnitude dependentes dos níveis de produção e demanda; requer uma coordenação mais complexa, em especial na proteção da rede; pode haver injeção significativa de harmônicos na rede.

O Controlador do Sistema de Gerenciamento de Distribuição (DMSC), em uma rede ativa, recebe dados medidos em pontos da rede, identifica possíveis erros de medição. Usando os dados válidos, calcula o estado atual de operação verifica se os limites admissíveis são respeitados. Executa modelos de previsão de carga e define configurações otimizadas de controle, atuando através de dispositivos sob comando, dentro das limitações dos mesmos.

4.2  Usina virtual (VPP)

O conceito de uma VPP é agregar um conjunto diversificado de Recursos Energéticos Distribuídos (DER) e passar a considera-los como uma unidade. Essa abordagem facilita, tanto técnica quanto comercialmente, a inserção dos DERs no setor.

4.3  Outras iniciativas

·         Galvin: define “O sistema de energia perfeito garantirá absoluta e universal disponibilidade de energia, na qualidade e quantidade necessária para atender a todas necessidades dos consumidores”. Essa definição difere do conceito atual por não admitir nenhuma probabilidade de falha no suprimento ao cliente, o que pela abordagem convencional só seria possível utilizando infinitas plantas geradoras a um custo infinito. Muitos de seus atributos são semelhantes aos da Smart Grid, objetivando alcançar um sistema totalmente integrado.

·         IntelliGrid: está construindo uma base técnica para as Smart Grids com recursos que englobam numerosos sistemas automatizados de transmissão e distribuição atuando de forma coordenada, ações de ‘self-healing’ para controle de situações emergenciais e infraestrutura de comunicação inteligente. Essa arquitetura aumentará a capacidade do sistema de fornecimento de energia, mesmo sem reforçar o sistema, melhorará o desempenho e a conectividade dos usuários e permitirá direcionar energia ao longo de caminhos específicos.

·         Xcel Energy: "Um sistema totalmente conectado à rede que identifica todos os aspectos da rede elétrica e comunica seu status e o impacto das decisões de consumo (incluindo impactos econômicos, ambientais e de confiabilidade) aos sistemas automatizados de tomada de decisão nessa rede". Sua implementação envolve projetos como Armazenamento de energia eólica, sistemas inteligentes que detectam, ou preveem, problemas na rede e atuam para restaurá-la, integração de veículos elétricos e portal que permita o consumidor gerenciar seu uso de energia.

·         Southern California Edison (SCE): envolve temas estratégicos como integração de recursos energéticos renováveis e distribuídos, controle da rede e otimização de ativos, eficácia da força de trabalho, medição inteligente e soluções inteligentes para os clientes.

5.      Visão geral das tecnologias necessárias para a Smart Grid

5.1  Tecnologias de informação e comunicação:

Inclui:  comunicação bidirecional (geração/consumo); arquitetura que possibilite "plug-and-play" de novos componentes; fornecimento das informações necessárias para o cliente gerenciar seu consumo e negociar no mercado de energia; software e normas para garantir a segurança das informações.

5.2  Sensoriamento, medição, controle e automação:

Inclui: Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED); Unidades de Medição Fasorial (PMU) e Monitoramento, Proteção e Controle de Grandes Área (WAMPAC) para garantir a segurança do sistema de energia; sensores integrados a sistemas de controle e automação para fornecer diagnóstico rápido e resposta oportuna a qualquer evento em diferentes partes do sistema; medidores inteligentes para permitir que os clientes tenham maior controle sobre o seu uso de eletricidade.

5.3  Eletrônica de potência e armazenamento de energia

Inclui: sistemas que permitam o transporte de energia por longas distâncias e facilitem a integração de fontes de energia renováveis; interfaces de eletrônica de potência e outros dispositivos para fornecer maior controle sobre os fluxos de energia e para garantir a qualidade de energia; armazenamento de energia para uma maior flexibilidade e confiabilidade do sistema de energia.

* Esse texto é um resumo do Capítulo 1 do livro citado no post inicial deste blog. Para maiores informações, consulte o livro indicado e as referências indicadas no final do capítulo.