Usando a eletrificação e a automação para criar redes de energia mais eficientes e sustentáveis – Parte um de dois

A substituição das fontes de energia tradicionais da rede elétrica por fontes sustentáveis e ecológicas é chamada de eletrificação. Neste artigo, parte 1 de 2, são discutidos alguns dos desafios associados à eletrificação e como a automação pode ajudar em sua eficiência e sustentabilidade. A parte 2 desta série discutirá as certificações LEED (liderança em energia e design ambiental) e ZEB (edifícios de energia zero) e como elas podem reduzir as emissões de carbono e melhorar a sustentabilidade.

A eletrificação é a substituição de sistemas que usam combustíveis fósseis, como petróleo, carvão e gás natural, para a geração de eletricidade por energia fotovoltaica (PVs) e outras tecnologias verdes e a substituição de veículos com motor de combustão interna (ICE) por veículos elétricos (EVs). Os sistemas eletrificados, além do uso da automação que os une e dá suporte a redes e microrredes inteligentes, são fatores importantes que levam a sociedade a um futuro mais sustentável e mais verde.

A rede elétrica atual não foi projetada para carregar inúmeros EVs, e espera-se que as redes inteligentes e as microrredes sejam tecnologias essenciais necessárias para apoiar a substituição generalizada de veículos ICE por EVs. Na Califórnia, o governador emitiu recentemente uma Ordem Executiva exigindo que, até 2035, todas as vendas de carros novos e caminhões leves de passageiros sejam veículos de emissão zero (EVs). Os desenvolvedores de redes e microrredes inteligentes devem atender a uma série assustadora de padrões internacionais para cumprir esses tipos de exigências. Por exemplo, o IEEE tem mais de 100 padrões aprovados ou em desenvolvimento relevantes para as redes inteligentes, incluindo os mais de 20 padrões do IEEE mencionados na Estrutura e no Roteiro para Interoperabilidade de Redes Inteligentes do NIST (National Institute of Science and Technology). Além dos padrões IEEE, as microrredes são regidas pela série de microrredes IEC 62898 e outros padrões.

Este artigo é o primeiro de duas partes. Ele analisa os desafios relacionados à implementação da eletrificação, à integração de recursos de energia distribuída (DERs), às semelhanças e diferenças entre redes inteligentes e microrredes e como a automação aumenta sua eficiência e sustentabilidade, inclusive apoiando a adoção universal de EVs. Ele começa analisando o que são os DERs e onde eles se encaixam e termina analisando como o surgimento de microrredes de serviços públicos está confundindo a distinção entre microrredes e redes inteligentes. Seja qual for a implementação, a DigiKey fornece uma ampla gama de produtos de automação industrial que dão suporte à eletrificação e à integração de DER. O segundo artigo examina como a eletrificação e a automação podem ser usadas em edifícios verdes para obter as certificações LEED (liderança em energia e design ambiental) e ZEB (edifícios de energia zero).

O que é um DER?

A definição da NERC (North American Electric Reliability Corporation) é: "um Recurso de Energia Distribuída (DER) é qualquer recurso no sistema de distribuição que produz eletricidade e não está incluído na definição formal da NERC do Sistema Elétrico de Massa".

O termo sistema de distribuição na América do Norte refere-se a linhas elétricas que transportam 34,5 quilovolts (kV) ou menos e que normalmente vão das subestações aos usuários finais. O sistema de energia em massa (BPS) inclui as linhas que chegam à subestação e que, muitas vezes, transportam mais de 100 kV por longas distâncias, conectando instalações de geração de eletricidade em massa em grande escala com recursos de interconexão e subestações (Figura 1).

Figura 1: Os DERs existem no sistema de distribuição (azul); outros recursos de energia renovável estão no sistema de energia em massa (verde). (Fonte da imagem: NERC)

Os DERs são qualquer recurso de sistema não em massa, incluindo unidades de geração, como turbinas eólicas e instalações fotovoltaicas, unidades de armazenamento de energia, a maioria dos sistemas de armazenamento de energia de baterias (BESS), carregadores de baterias de veículos elétricos — também chamados de equipamentos de serviço de veículos elétricos (EVSE) — e microrredes. Os DERs ficam atrás do medidor da concessionária e também diretamente no sistema de distribuição. Atrás do medidor, as fontes de DER incluem matrizes fotovoltaicas, BESS, EVs conectados à rede e fontes de energia reserva em espera, como grandes instalações de geradores a diesel em data-centers e outros locais. Uma microrrede é um tipo específico de DER.

Redes inteligentes, microrredes e eletrificação

Uma microrrede é um DER, mas nem todos os DERs são microrredes. Do ponto de vista do BPS, os termos microrrede e DER se referem a tipos de geração de energia ou recursos de armazenamento. O termo rede inteligente refere-se às tecnologias de comunicação e controle usadas pelo BPS para garantir uma operação resiliente e eficiente. Outro fator de diferenciação é que as microrredes incluem recursos de geração e armazenamento, além de cargas. Uma rede inteligente é composta principalmente de recursos de geração, com algum armazenamento, mas sem cargas. A rede inteligente pode se comunicar com as cargas, mas elas são separadas da rede.

A eletrificação afeta as microrredes, o BPS e as redes inteligentes de diferentes maneiras. No BPS, a eletrificação está sendo adicionada a uma rede existente e, se não for gerenciada adequadamente, pode ter consequências operacionais negativas não intencionais. É aí que entra a tecnologia de rede inteligente.

As comunicações e o controle bidirecionais são o principal diferencial das redes inteligentes. Esses sistemas de controle incluem sensores para monitorar a estabilidade da rede e medidores avançados para monitorar a demanda de eletricidade. Eles também usam uma variedade de dispositivos controláveis de comutação de energia e de qualidade de energia para gerenciar os fluxos de eletricidade. Os sensores são essenciais para permitir uma maior penetração de fontes de energia renovável (ER) e eletrificação no BPS e garantir a estabilidade da rede. Além disso, os sensores e elementos de controle permitem respostas mais rápidas e eficazes aos distúrbios de energia e possibilitam o equilíbrio e a segurança da rede, especialmente durante os períodos de pico de demanda e com disponibilidade variável de ER. As tecnologias de rede inteligente também apoiam a coordenação e a integração de microrredes com o sistema de distribuição e o BPS.

Por outro lado, uma microrrede é projetada para acomodar tecnologias de eletrificação, como fontes de energia renovável, BESS e veículos elétricos. As microrredes e as redes inteligentes exigem controles automatizados, incluindo um sistema de gerenciamento de recursos energéticos distribuídos (DERM).

Os DERMs são obrigatórios

Os DERMs e a automação são definidos e implementados de forma diferente em redes inteligentes e microrredes. As redes inteligentes incluem diversas fontes de geração e usuários de eletricidade espalhados por uma ampla área com um centro de controle centralizado para o gerenciamento da rede (Figura 2). O gerenciamento da rede é o conceito fundamental para o controle da rede inteligente no BPS. Os BPSs existentes foram projetados e construídos antes de haver a necessidade de apoiar a eletrificação e podem ter uma operação não confiável à medida que a geração despachável (controlável) movida a combustível fóssil é cada vez mais substituída por fontes de ER imprevisíveis (e, portanto, menos controláveis). Além disso, o carregamento de inúmeros EVs será, em sua maioria, não despachável e não diretamente controlável pela concessionária. O controle centralizado e automatizado possibilitado pela tecnologia de rede inteligente é necessário para compensar o fato de que as fontes de ER usadas para eletrificação e carregamento de EVs não são tão previsíveis quanto os elementos convencionais da rede de serviços públicos.

Figura 2: Uma rede inteligente depende de controladores automatizados e DERMs para o gerenciamento da rede em tempo real. (Fonte da imagem: ETAP)

Os controladores de redes inteligentes e microrredes precisam de informações de vários sensores para monitorar os recursos conectados em tempo real. Com o advento dos EVs e EVSE, os controladores também são usados para ajudar a gerenciar as demandas de energia de carregamento e podem usar a comunicação veículo-rede (V2G) para coordenar a conexão dos EVs à rede ou a uma microrrede para fornecer capacidade de armazenamento de energia incremental.

Além de monitorar o status dos recursos conectados, os controladores das microrredes conectadas à rede também devem monitorar o status da rede elétrica local. O dispositivo de manobra é um componente essencial das redes e microrredes inteligentes e deve responder em milissegundos para garantir uma operação robusta. A capacidade dos dispositivos de manobra variam de alguns quilowatts (kW) para pequenas microrredes a vários megawatts (MW) para grandes microrredes e para a rede de serviços públicos. O dispositivo de manobra e o controlador podem estar no mesmo gabinete para pequenas microrredes, reduzindo os custos e agilizando a instalação. Os DERMs de redes inteligentes e microrredes incluem a medição inteligente da produção e do consumo de energia, que é usada por análises baseadas em nuvem para maximizar os benefícios econômicos dos DERs e oferecer suporte a altos níveis de resiliência. As arquiteturas exatas dos DERMs podem variar para diferentes variedades de microrredes.

Variedades de microrredes

As microrredes podem ser classificadas por suas aplicações e arquitetura. As três arquiteturas de microrredes são do tipo remotas, em rede e conectadas à rede. As microrredes remotas estão em locais como ilhas ou operações remotas de mineração e agricultura. Elas também são chamadas de microrredes fora da rede e são fisicamente separadas de qualquer serviço público de BPS. Elas devem ser totalmente autossuficientes.

As microrredes em rede ou ordenadas são redes de vários DERs ou microrredes individuais conectadas a um sistema comum de distribuição do serviço público. Em geral, elas são controladas por um sistema de supervisão centralizado que equilibra as necessidades da operação da microrrede com o suporte à rede elétrica mais ampla. O controlador geralmente atribui uma hierarquia de importância às microrredes e aos DERs para garantir que os elementos mais críticos sejam protegidos. As aplicações para microrredes em rede incluem microrredes comunitárias, cidades inteligentes e a categoria emergente de microrredes de serviços públicos.

As microrredes em rede são uma subcategoria das microrredes conectadas à rede. Todas as microrredes conectadas à rede são fisicamente conectadas à rede de distribuição e têm um dispositivo de comutação no ponto de acoplamento comum (PCC), onde ocorre a conexão com a rede de distribuição. Durante a operação normal, uma microrrede conectada à rede é conectada à rede de distribuição. Ela pode fornecer serviços à rede, como regulagem de frequência e tensão, suporte de potência ativa e reativa e resposta à demanda para atenuar as limitações de capacidade.

A microrrede não está conectada à rede de distribuição da concessionária em uma operação em ilha. O funcionamento em ilha pode ocorrer devido a uma interrupção na rede de distribuição ou para outras necessidades, como manutenção. Ao passar da operação em ilha para a operação conectada à rede, essas microrredes precisam detectar a frequência da distribuição e sincronizar a operação antes de se reconectar.

Há inúmeras aplicações de microrredes, incluindo campi, hospitais e centros médicos, instalações comerciais, comunidades e instalações industriais. A mais nova categoria de aplicação são as microrredes de serviços públicos (Figura 3).

Figura 3: As microrredes são frequentemente categorizadas por sua aplicação. (Fonte da imagem: Siemens)

Confundindo a linha

Estão sendo implantadas microrredes de serviços públicos que confundem a linha entre as redes inteligentes e as microrredes. Nesse processo, a definição de um DER muda de um recurso de energia distribuída para um recurso de energia dedicada. As microrredes de serviços públicos são projetadas para reduzir as interrupções de energia devido a eventos climáticos extremos, incêndios florestais e outros desafios imprevistos. Com as arquiteturas de rede existentes, grandes seções da rede são desenergizadas para segurança durante eventos extremos.

Um impacto importante e infeliz dessas interrupções de energia não programadas e extensas é o desestímulo ao uso de EVs. As microrredes de serviços públicos são vistas como a chave para a adoção generalizada de EVs. Por exemplo, a SCE (Southern California Edison) propôs o desenvolvimento de microrredes de desligamento de energia de segurança pública para ajudar a manter a disponibilidade de eletricidade da forma mais ampla possível durante incêndios florestais. Outras empresas de serviços públicos se referem à nova arquitetura de rede como microrredes comunitárias (Figura 4).

Figura 4: As microrredes de serviços públicos podem incluir uma grande variedade de ativos espalhados por áreas geográficas relativamente amplas e confundir a linha entre as microrredes tradicionais e as redes inteligentes. (Fonte da imagem: Edison International)

A capacidade de funcionamento em ilhas das microrredes de serviços públicos é fundamental para melhorar a disponibilidade de eletricidade em um nível mais granular do que é possível atualmente. Espera-se que ele seja implantado em uma ampla gama de tamanhos de microrredes, desde comunidades residenciais completas até locais públicos, incluindo escolas e outros locais estratégicos, como postos de bombeiros, centros médicos e centros de evacuação. As instalações de EVSE são uma parte crucial dos projetos da maioria dessas microrredes comunitárias. Conforme previsto, o EVSE dará suporte à conexão de EVs à rede como fontes adicionais de energia reserva, bem como para o carregamento de EVs.

Conclusão

A eletrificação é necessária para garantir redes de energia mais sustentáveis e promover reduções nas emissões de CO₂. Muitas tecnologias de eletrificação, como a energia fotovoltaica e os veículos elétricos, não são tão previsíveis quanto os recursos tradicionais que estão substituindo. Isso significa que a eletrificação deve ser apoiada por redes de sensores avançados e sistemas de controle automatizados em redes e microrredes inteligentes.