Uma das principais razões pelas quais o V2G é atraente como tecnologia é que ele representa potencialmente um cenário em que as partes envolvidas poderão se beneficiar de alguma forma, tanto em nível técnico, econômico quanto socioambiental, à medida que a tecnologia se difunde. Assim, esse capítulo aborda a variedade de potenciais benefícios que o V2G poderá oferecer aos proprietários de VEs, à rede elétrica e à sociedade em geral, além dos principais desafios para a sua implantação, contudo, dando maior destaque as questões técnicas, por ser o foco desta dissertação.
Ademais, explora também a vivência prática demonstrada nos principais projetos de P&D relacionados à V2G executados no mundo, e a experiência do Brasil com o primeiro V2G realizado no país dentro do Projeto de P&D ANEEL CPFL Emotive.
3.1 POTENCIAIS BENEFÍCIOS DO V2G
As vantagens do V2G são bastante abrangentes e, dado seu estado atual de desenvolvimento e mercado, ainda não estão completamente definidas. Por outro lado, porém, o V2G pode ser interpretado como um meio de aumentar a adoção de VEs, de forma a incentivar mais consumidores a escolherem as opções elétricas de veículos, e também proporcionar benefícios à sociedade em geral.
Muito dos benefícios do V2G estão disponíveis atualmente, enquanto outros devem ocorrer no futuro, dependendo das circunstâncias e mudanças porvir nos sistemas de energia e de transporte. Reforçando esse fato, um levantamento realizado por Sovacool et al. (2018) [62], apreciando 197 artigos acadêmicos recentes no tema, ilustra os principais e potenciais benefícios relacionados a V2G, conforme ilustrado pela Figura 3.1.
Figura 3.1 – Benefícios do V2G explorados em 197 artigos acadêmicos publicados recentemente (Adaptado de [62]).
Além de temas mais técnicos como integração com energias renováveis (geralmente ligada a aspectos técnicos, e não ambientais ou econômicos), provimento de serviços de operação de redes, smart grid, storage e microrredes, questões como modelos de negócios, aspectos ambientais (mudanças climáticas e poluição do ar) também aparecem entre as vantagens associadas ao V2G, muitos deles provavelmente considerando cenários futuros onde a integração bidirecional de energia dos VEs será melhor explorada. Isso também mostra que o surgimento de redes elétricas mais inteligentes tem grande potencial de reforçar as vantagens do V2G. Assim, tais temas são mais bem explorados a seguir.
3.1.1 Benefícios Técnicos: Potencial de Armazenamento e Serviços à Rede
Do ponto de vista de benefícios técnicos para a rede elétrica, o V2G oferece um baixo custo de armazenamento de energia (uma vez que essa não é a sua destinação principal, e sim, mobilidade), potencial em fornecer alta capacidade energética e rápida resposta de atuação quando demandado, podendo assim, atender diferentes tipos de aplicações e mercados de energia, e se destacar em comparação a outras formas de armazenamento comumente empregadas, conforme apresentado na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Atributos técnicos de várias tecnologias de armazenamento, usando os EUA como exemplo. As faixas indicam diferença no custo, dependendo da tecnologia ou sistema usado
(Extraído de [43]). Tecnologias de armazenamento Custo de armazenamento Tempo de resposta Round- trip efficiency (%) Custo correspondente à capacidade de V2G dos EUA (US $ bilhões) Outras notas US $/kW US $/kWh V2G 0 0-40 Poucos segundos 70-85 N/A
De longe, o sistema mais barato, processo de difusão longo e complexo, depende dos consumidores. Hidrogênio 1500- 3200 260-540 Segundos para minutos
40 $6.200 Menor eficiência e altos custos de capacidade. Baterias específicas 1100- 2500 500-800 Poucos segundos 70-90 $7.020
Sem uso secundário, a capacidade de energia da bateria é de custo muito alto.
Flywheels 870 4800 Poucos
segundos 94 $41.200
Altamente eficiente, mas o custo limita a
capacidade total de energia, preferível para armazenamento de curto prazo. Power-to-gas 850 N/A Segundos para minutos 50 $2.300 A baixa eficiência, a infraestrutura de gás deve preexistir, contribui para as emissões relacionadas ao gás. Armazenamento de energia por ar-comprimido 900-1300 40-109 9-12 minutos 70-90 $2.800 Depende da geologia local para comprimir o ar. Hidrelétrica (Pumped hydroelectric) 1400 68 Entre poucos segundos e minutos 70-82 $4.300 Implicações ambientais mais comuns de armazenamento, mas geograficamente dependentes.
Nota: "Round-trip efficiency" é a quantidade de energia que é retida após a energia ser colocada no sistema de armazenamento e subsequentemente recuperada, expressa como uma porcentagem.
Pela comparação acima, verifica-se que o V2G possui um rápido tempo de resposta e uma eficiência relativamente alta, enquanto alternativas de armazenamento têm apenas uma ou outra (por exemplo, o hidrogênio responde rapidamente, mas é ineficiente e o armazenamento de energia do ar comprimido tem alta eficiência, mas leva alguns minutos para responder). Embora algumas dessas tecnologias possam ser preferidas para aplicações específicas, constata-se que o V2G oferece, em geral, um
armazenamento significativamente vantajoso, permitindo operar como um Recurso Energético Distribuído (RED) de característica móvel.
Assim, diversas aplicações são viabilizadas por essas qualidades, beneficiando tanto o proprietário de VE e consumir de energia, quanto às redes elétricas e os seus Operadores (TSO e DSO).
Para os consumidores, o V2G pode viabilizar aplicações como backup de energia e armazenamento de geração por fontes renováveis distribuídas, ou ainda o ilhamento de uma unidade consumidora (UC - sua desconexão da rede elétrica) tornando-a “independente” da rede elétrica (considerando um ambiente regulatório favorável).
Já à rede elétrica e seus operadores, o V2G poderá oferecer uma variedade de vantagens e serviços que melhorem o seu funcionamento, como, por exemplo, suporte de tensão, alívio de carga de transmissão e distribuição, maior confiabilidade e integração com fontes renováveis e intermitentes de geração de energia (como solar e eólica), provimento de serviços auxiliares, e assim, melhorar os aspectos técnicos das redes de distribuição e postergar investimentos [43].
Neste sentido, a integração das redes elétricas com outros setores, como o de transportes, coincide com o conceito de redes inteligentes, que é essencialmente um meio de aumentar a comunicação na rede elétrica para controlar a demanda por eletricidade e melhorar a sua flexibilidade e dinamismo [63]. No entanto, a rede inteligente vai além do V2G e inclui a produção distribuída de eletricidade, armazenamento de energia, bem como resposta à demanda e o consumir como sujeito ativo deste cenário, tradicionalmente encabeçado por empresas do setor, órgão reguladores e grandes consumidores [64].
Assim, contribuindo para essa mudança, os VEs possuem um grande potencial de fornecer importantes serviços de suporte às redes elétricas, e que podem ser agrupados em serviços de energia e potência. Em particular, os serviços de energia exigem que quantidades significativas de energia sejam entregues ou absorvidas pelo veículo. Assim, a energia pode inclusive ser comprada e vendida de volta à rede, conforme necessário. Os serviços de potência envolvem uma grande demanda, com trocas de energia insignificantes. Consequentemente, a possível receita vem da capacidade de entregar e/ou absorver potência durante certo período [65].
Dentre os potenciais serviços providos pelo V2G destacam-se a regulação, ou seja, controle de tensão e frequência, e reserva energética. No entanto, uma vez que
estes mercados estejam saturados, a V2G também poderia fornecer nivelamento de carga, isto é, corte de pico (peak shaving) e preenchimento de vales (valley filling), como exemplos [65]. Além disso, em sistemas de geração de energia renovável, baseados em fontes intermitentes, o V2G poderia melhorar a sua confiabilidade e a previsibilidade de fornecimento, permitindo que os veículos operem como Sistemas de Armazenamento de Energia (ESS ou Energy Storage Systems). Alguns dos principais serviços citados, são melhor detalhados abaixo:
A. Regulação de Tensão e Frequência
Os serviços de regulação serão provavelmente o primeiro passo para a utilização do V2G no provimento de serviços de rede na distribuição e transmissão, devido ao alto valor de mercado da regulação e ao mínimo estresse proporcionado ao sistema de armazenamento de energia do VE nessa operação. Para sistemas com razões X/R suficientemente elevadas, a regulação de tensão é usada para equilibrar a oferta e a demanda por energia reativa, enquanto a regulação de frequência visa equilibrar a oferta e a demanda por energia ativa, sendo alcançada principalmente por ciclagem de grandes geradores atualmente. Assim, as rápidas taxas de recarga e descarga das baterias dos VEs e sua rápida resposta aos sinais de regulação, tornam o V2G uma alternativa promissora para essas aplicações [66], sendo que ajuste de frequência, neste caso, aplica-se mais diretamente a situações de microrredes ilhadas, uma vez a ação no sistema interligado dependeria de uma frota muito grande de VEs para alguma ação significativa.
B. Nivelamento de Carga e Potência de Pico (Load Shifting/Peak Shaving)
O V2G pode nivelar a carga de energia, diminuindo a demanda de pico de eletricidade (peak shaving) ou a aumentando em momentos de maior interesse (valley
filling), obtido por meio da descarga do VE durante os picos diários e recarregando
durante a baixa demanda (durante a noite e fora do horário de pico, por exemplo), conforme ilustrado na Figura 3.2.
Essa aplicação com veículo é bastante interessante do ponto de vista do setor, pois o despacho dessas cargas é mais fácil do que o que carga flutuante, por simplificar a previsão e diminuir as necessidades de regulamentação. Contudo, o nivelamento de carga irá requerer um planejamento cuidadoso baseado na correspondência entre o SoC da bateria do VE e as necessidades de mobilidade dos proprietários. Neste ponto, uma
ferramenta de planejamento, adequada para encontrar o melhor compromisso entre a mobilidade e os desempenhos V2G poderia ser utilizada por meio do V1G [66].
Figura 3.2 – Nivelamento de carga no caso de pequenas e grandes frotas VE em recarga e V2G (Adaptado de [65]).
C. Integração com fontes renováveis de energia
Os VEs também podem ser usados para consumir/armazenar a energia renovável excessiva que, de outra forma, teria que ser desperdiçada, excedendo também a demanda geral da rede (como exemplo, as turbinas eólicas, que tendem a produzir muita energia no inverno ou à noite, quando o vento sopra mais forte, ou os sistemas FVs, que tem o pico de geração durante o dia, quando muitas vezes o consumo residencial de energia é baixo), e o V2G viabilizando a utilização dessa energia renovável em momentos de ausência de geração (Figura 3.3).
Figura 3.3 – Exploração de fontes de energia renováveis (eólica e solar) integrados com V2G (Adaptado de [65]).
Além disso, as variações imprevisíveis na geração tornam tais fontes de energia fortemente intermitentes, e que podem levar a desequilíbrios na rede devido as flutuações na produção [65]. Assim, os VEs podem combinar o consumo e a geração, para que a concessionária não precise diminuir a produção de energia, e aliviar significativas variações momentâneas, devido a alterações bruscas ou variação da geração, de forma a suavizar a curva de carga da rede.
D. Reserva
Embora a regulação e a reserva pareçam ser serviços muito semelhantes, elas ocorrem em situações diferentes: na verdade, a regulação tem que suportar o sistema em tempo real continuamente, enquanto a reserva consiste em uma capacidade de geração adicional que deve ser mantida de lado para lidar com perdas de potência ou aumentos de carga. Com base em seu tempo de resposta, os serviços de reserva geralmente podem ser agrupados em três classes [65]:
Reserva de fiação, que tem um tempo de resposta de poucos segundos a 5-10 min;
Reserva suplementar, que tem um tempo de resposta de 5-10 min a meia hora;
Reserva de backup, que não pode ser rapidamente pronta, mas pode operar por longos períodos.
Esses limites não são padronizados, mas podem mudar dependendo do operador do sistema. No entanto, a operação como reserva pode ser lucrativa para exploração via V2G, porém, a possibilidade de fornecer reserva de fiação, reserva suplementar ou reserva de backup depende da disponibilidade de energia das frotas de VEs. Em particular, um pequeno número de VEs não é capaz de fornecer grandes quantidades de energia, mas pode contribuir com os mercados de reserva.
O G2V e V2G podem fornecer reserva “giratória” de maneiras muito diferentes. Na verdade, a reserva de fiação é fornecida com G2V diminuindo a energia extraída do ponto de operação preferido programada, enquanto o V2G é capaz, não apenas de reduzir sua potência, mas também de fornecer energia a partir das baterias do veículo.
3.1.2 Benefícios Econômicos, de Negócios e Novos Mercados
Como citado, o V2G pode ser interpretado como um meio de aumentar a adoção de VEs, tanto pela possibilidade futura do proprietário utilizá-lo em aplicações residenciais de armazenamento de energia, ou de ser remunerado pela disponibilização do seu ativo na prestação de serviços a rede, abrindo novas fontes de receita.
Já para as redes elétrica e seus operadores, a função bidirecional de energia dos veículos pode aumentar a relação custo-benefício dos serviços auxiliares, o que reduz as despesas operacionais, fornece armazenamento em uma variedade de escalas e contextos, postergação de investimentos e readequações de rede, entre outros benefícios econômicos, embora muitas aplicações ainda não tenham sido monetizadas.
Assim, o desenvolvimento de futuros mercados em V2G nos países com esse potencial provavelmente levará em consideração quatro aspectos principais [9]:
Tamanho total do mercado automotivo: é provavelmente que fornecedores de hardware e serviços de V2G segmentem áreas com grandes mercados de automóvel e alta rotatividade de veículos, devido à oportunidade de vendas de VEs;
Presença atual de VEs: se o mercado não transitar de veículos movidos a MCIs para versões elétricas, ou se os VEs derem lugar para veículos com células à combustível, o potencial do V2G será reduzido drasticamente; Níveis existentes de infraestruturas de recarga;
Mercados de energia já habilitados para Resposta pelo Lado da Demanda (DSR - Demand Side Response): um mercado nacional de energia que já permita a agregação de ativos de geração distribuída e com instrumentos regulatórios para isso.
Seguindo tais características, o mercado europeu mostra-se, atualmente, mais receptivo às tecnologias V2G, apoiado pelo número de projetos de inovação que estão sendo realizados nos dias de hoje em toda a Europa, utilizando financiamento para P&D [9]. A França e o Reino Unido são os principais mercados. Já a Alemanha, como sede de muitas empresas automotivas importantes, também apresenta um mercado secundário significativo, com incentivo ao uso de baterias que suportam energia solar FV, porém, possui barreiras ao DSR e a falta de suporte de fabricantes alemães de VE para V2G.
Já nas Américas, o Canadá é o líder, onde apesar de representar apenas 2% do mercado automotivo mundial, viu um crescimento forte e consistente nas vendas de VEs nos últimos anos. É um país ativo no apoio à participação da DSR em seus mercados de energia. Os EUA também tendem a ser um mercado forte neste segmento, por representar 30% do transporte automotivo mundial, sendo um país composto por diferentes mercados regionais, tanto para VEs quanto para energia [67].
Para o resto do mundo, as principais oportunidades estão agrupadas no Japão, China e Coréia do Sul. O Japão, apesar de abrigar muitos dos principais fabricantes de VEs e 12% dos automóveis do mundo, ainda luta para assumir uma posição de destaque em VEs, além da existência de barreiras para DSR nos mercados de energia. A China também possui um mercado de energia relativamente fechado para DSR, porém é responsável pelo segundo maior mercado automotivo do mundo e uma grande concentração de VEs em algumas de suas cidades (o que contribuirá para, proporcionalmente, um elevado número de unidades V2G quando tal mercado estiver em operação). Já a Coréia do Sul, ao contrário do Japão e da China, apresenta uma oportunidade interessante para a V2G, devido em parte à natureza ativa do mercado de DSR, apesar de a participação de VEs ainda ser baixa [67].
Assim, considerando as economias de escala e os altos custos da tecnologia V2G, espera-se que apenas em torno de 2030 haverá uma assimilação adequada de tecnologias e de potenciais mercados estratégicos para a aplicação das tecnologias de V2G. A Figura 3.4 apresenta a previsão do desenvolvimento do mercado de V2G nos principais países do mundo.
Figura 3.4 – Previsão do desenvolvimento do mercado de V2G nos principais países do mundo (Adaptado de [67]).
Além dos quatro aspectos citados e o alto grau de incerteza enfrentado pelo mercado de V2G, sua implantação também enfrentará restrições e, provavelmente, também dependerá:
da dinâmica da queda nos custos da tecnologia V2G;
da distribuição de valor agregado entre os participantes (proprietários, operadores de redes, agregadores de serviços etc.);
da reconfiguração de muitos modelos de negócios em um grau impossível de prever no momento;
do desenvolvimento de soluções jurídicas sistêmicas para o funcionamento estável do mercado de serviços DSR.
3.1.3 Benefícios à Saúde e ao Meio Ambiente
Além dos benefícios técnicos e econômicos, o V2G também oferece outras vantagens socioambientais, por meio da redução de danos ao meio ambiente e à saúde.
Do ponto de vista do setor elétrico, esses ganhos promovidos pelo V2G podem ser divididos em (i) deslocamento dos atuais participantes do mercado de serviços auxiliares e (ii) a integração de energia renovável em larga escala [43]. Isso certamente exigirá uma transição substancial com uma variedade de sistemas diferentes além do VE, porém, o V2G pode desempenhar um papel importante a curto e longo prazo.
Em relação ao item (i), a adição do V2G pode reduzir as emissões de CO2 à atmosfera, produzida por geradores a gás natural, muito utilizados no mercado de serviços auxiliares (para a regulação de frequência no mercado norte americano, por exemplo). Já em relação à integração com fontes de energia renovável, obviamente, o V2G não pode substituir a produção de energia de fontes convencionais e amplamente poluentes, em grande escala, como térmicas a carvão e a gás natural, porém, pode fornecer significativa capacidade de armazenamento, de forma distribuída e flexível, para que a geração de energias intermitente por vias renováveis substituam tais fontes convencionais.
3.2 DESAFIOS DE IMPLEMENTAÇÃO DO V2G
Além dos diversos aspectos de possíveis benefícios proporcionados pelo V2G, a sua implementação também enfrentará desafios, dos quais, analisam-se na sequência os aspectos de infraestrutura, questões de aumento da degradação das baterias dos veículos e o ecossistema necessário para viabilizar sua integração com o sistema elétrico.
3.2.1 Infraestrutura e Aspectos de Degradação das Baterias
A implementação e viabilidade do V2G também apresenta desvantagens e dificuldades. Diferentemente de outras tecnologias, o desenvolvimento, na prática, de sistemas V2G depende indiretamente da decisão dos consumidores finais em adotar um VE compatível com o V2G, e concordar em utilizá-lo como alternativa individual de armazenamento de energia elétrica, para sua UC, ou em participar de algum programa promovido pelo Operador da rede, emprestando o veículo em benefício do sistema elétrico.
A sua implementação e difusão também irá requerer que as tecnologias e algoritmos de comunicação detectem o estado da rede elétrica, determinem se os veículos devem fornecer eletricidade e em quais momentos, verifiquem também o estado e a disponibilidade dos VEs a fornecerem os serviços necessários e demandados pelo sistema, além de rastrear quais os serviços fornecidos pelos veículos para que os proprietários possam ser pagos por disponibilizarem seus ativos [10].
Além disso, embora a maioria dos veículos esteja estacionada a maior parte do tempo, a execução do V2G exigirá uma ampla rede de EPs (locais públicos e privados) de forma que os veículos possam ser conectados por períodos maiores. Ademais, apesar da significativa capacidade de receber potência durante as recargas, o fornecimento de energia via aplicações V2G pode ser limitado pelo EP ou pela capacidade do circuito elétrico ao qual está conectado em receber fluxo bidirecional de energia.
Outro ponto de atenção sobre a operação do modo V2G, é que o seu uso pode aumentar o desgaste da bateria de tração do veículo e diminuir sua vida útil. Desta forma, torna-se fundamental entender até que ponto o uso adicional da bateria do VE afetará a sua capacidade durante vida útil automotiva.
A degradação da bateria pode causar perda da capacidade ao longo do tempo, o que afeta a autonomia do VE. Consequentemente, espera-se que o impacto do V2G na
possível degradação da bateria afete a sua adoção de duas maneiras: (a) a disposição do consumidor em adquirir um VE com a função V2G ou dele utilizar/participar de um sistema V2G no provimento de serviços à rede, e (b) o caso de negócios, pois a possível remuneração oferecida aos consumidores pela participação nesse serviço precisará ser alta o suficiente para compensar a potencial degradação da bateria (ou em um pior caso, a sua substituição) [43].
Existem vários estudos neste tema, muitos dos quais afirmam que esses efeitos adicionais sobre as baterias de lítio-íon são mínimos ou mesmo insignificantes, ou que até mesmo, há a possibilidade de prolongar a vida útil da bateria por meio de um V2G ideal, facilitado por um veículo integrado ao sistema de rede inteligente [68]. Por outro lado, a grande maioria das pesquisas afirma que o possível aumento da degradação é uma das principais barreiras para o mercado do V2G [10], [69]-[71]. Há ainda os que advogam que apesar do desgaste, o custo adicional de degradação da bateria será compensado pela geração de novas receitas pela exploração do V2G no provimento de outros serviços [72].
Ao contrário do que se pensa calcular a degradação da capacidade de uma