Capítulo 2 – Produção Distribuída em Redes MT
2.2 Evolução da Produção Distribuída
2.2.1 Conceitos
A definição de produção distribuída, dependendo da sua origem, tem diversas formulações. Existe alguma falta de consenso [7] que, pode dizer-se, é originada, pelo menos parcialmente, pelos numerosos critérios que podem ser usados para a sua definição [6, 8]:
• Localização: considera-se tipicamente na rede de distribuição, mas alguns autores, segundo [8], consideram também a rede de transporte;
• Nível de tensão no ponto de interligação (transporte/distribuição): este critério tende a não ser suficientes para caracterizar a PD por os níveis de tensão da grande distribuição se sobreporem por vezes com níveis de tensão da rede de transporte, variando estas definições de país para país;
• Capacidade de produção: o que aparenta ser um dos critérios mais óbvios é também um dos menos consensuais, em grande parte devido às diferentes capacidades admissíveis impostas pelos diferentes pontos de interligação que possam ser reconhecidos nos dois itens anteriores; • Serviços fornecidos: controlo de tensão e potência reactiva;
• Tecnologia de produção: apesar de poder ser útil incluir nesta definição as tecnologias de produção que podem ser utilizadas, a facilidade com que algumas delas permitem a produção desde alguns kW até às centenas de MW (turbinas a gás, por exemplo) pode tornar a inclusão deste critério um pouco irrelevante;
• Modo de operação: como normalmente a PD tende a escapar ao controlo dos operadores do sistema (não é despachável nem sujeita a preços de mercado), estes factores podem ser utilizados para refinar a definição de PD;
• Área de influência: a área de fornecimento de energia (a mesma rede de distribuição) é por vezes referida como um critério para definir a PD, mas é de difícil atribuição pois requer a análise de trânsitos de potências;
• Propriedade das instalações de produção: apesar de se referir por vezes que a PD deve ser independente dos produtores tradicionais de energia eléctrica, de um ponto de vista técnico esta distinção não é relevante.
Foi, assim, com base em alguns destes critérios que os países que participam no CIRED (Congrès
International des Réseaux Électriques de Distribution, no original em língua francesa) responderam a um
questionário em 1999 [7], definindo a produção com base nos níveis de tensão, no ponto de ligação (adjacente a pontos de consumo), na tecnologia utilizada ou no facto de não ser despachável, por exemplo.
Um grupo de trabalho do CIGRÉ (Conseil International des Grands Réseaux Électriques, no original em língua francesa) tem também uma definição própria para PD [7], caracterizando-a pela capacidade (até 50-100 MW), ponto de interligação (tipicamente na rede de distribuição) e modo de operação (não sujeita a planeamento nem despacho centrais).
O IEEE define produção distribuída como sendo aquela com origem em unidades de produção com uma dimensão de tal modo reduzida que a sua ligação pode ser feita praticamente em qualquer ponto da rede [6]. Esta definição é de certo modo extraída de [9], onde se incluem também os dispositivos de armazenamento e enfatiza a pequena dimensão dos elementos electroprodutores (de menos de 1 kW até às dezenas de MW), considerando sempre que a sua localização é próxima das cargas.
Ao contrário das definições já referidas, a proposta da IEA [10] caracteriza-se por excluir restrições relativas à capacidade de produção das fontes de energia, referindo-se apenas à sua localização: nas instalações do consumidor ou redes de distribuição e fornecendo energia a estas.
A definição proposta por [8] assenta no critério de localização, identificando a PD como sendo aquela ligada directamente na rede de distribuição ou nas instalações do consumidor (mesmo quando o consumidor se encontra directamente ligado à rede de transporte). Note-se também que o facto de os recursos renováveis se encontrarem distribuídos determina desde logo a dispersão geográfica das unidades de produção que deles dependem.
Do ponto de vista deste trabalho, interessa considerar com particular atenção apenas a parte da definição que diz respeito à rede de distribuição em MT visto ser até este nível de tensão que o conceito de Multi-Micro-Rede se aplica, como será exposto em detalhe no Capítulo 3. Comparando as diversas definições apresentadas, o ponto em comum que mais vezes surge referido ou realçado é, sem dúvida, o facto de a PD consistir em unidades de produção de energia localizadas possivelmente em todos os níveis de tensão da rede de distribuição. Isto conduz a que a estrutura representada na Figura 2.1 tenha progressivamente evoluído para a estrutura apresentada na Figura 2.2.
MAT (V > 110 kV) AT (45 kV < 110 kV) MT (1 kV < V < 45 kV) BT (V < 1 kV) Carga Carga Carga Carga Transporte Produção Distribuída Distribuição Distribuição Distribuição Produção Produção Distribuída Produção Distribuída
Figura 2.2 – Integração da PD na rede de distribuição [4, 5]
Como se procurou ilustrar na Figura 2.2, a instalação de unidades de produção de energia em pontos da rede que, à partida, não estariam predestinados a essa função obriga a uma alteração no modo como são habitualmente vistos os trânsitos de potência numa rede radial.
O conceito de DER (Distributed Energy Resources, na literatura anglo-saxónica) [11] surge do facto de estas unidades de produção de energia poderem também ser associadas a dispositivos de armazenamento e cargas controláveis. A instalação em grandes quantidades de dispositivos com estas características nas redes de distribuição conduz a uma mudança de paradigma no funcionamento dos sistemas eléctricos de energia. Esta mudança surge em contraste com a visão existente até hoje de uma rede de distribuição “passiva”, onde se procuravam antecipar todos os problemas de controlo na fase de planeamento e (quase) nenhuma intervenção de controlo era possível posteriormente à implementação da rede.
A disseminação de PD na rede tem vindo a ser limitada por esta visão, uma vez que os níveis de penetração admissíveis tendem a ser determinados com base em regras baseadas em cenários conservadores (máxima produção para a menor carga, por exemplo) [11]. Recorrendo à resolução de trânsitos de potências probabilísticos ou a simulações de Monte Carlo, pode-se avaliar a probabilidade de ocorrência de impactos negativos que a elevada penetração de PD pode originar (por exemplo, nos níveis de tensão) [11]. No entanto, estes problemas continuam a poder ocorrer e são de difícil controlo e monitorização.
A transição de uma rede de distribuição passiva para uma rede activa permitirá, por outro lado, maximizar a utilização da rede já existente e o potencial da produção distribuída, permitindo níveis de penetração inimagináveis até há pouco tempo atrás. A coordenação do despacho de produção, do controlo de tomadas de transformadores e de reguladores de tensão, da gestão da potência reactiva e da reconfiguração do sistema é um exemplo do tipo de técnica que pode ser aplicada numa rede activa [12].
A gestão activa das redes de distribuição pode permitir ainda que o equilíbrio entre produção e carga seja mais bem conseguido e que a produção distribuída possa contribuir com o fornecimento de serviços de sistema. É possível, ainda, permitir a monitorização e controlo da rede, em tempo real e de um modo generalizado, através da comunicação bidireccional com todos os dispositivos já mencionados, aos quais se podem juntar as cargas controláveis. As decisões de controlo e gestão podem ser apoiadas por funções de estimação de estado, trânsito de potências ou outras de modo a poderem ser tomadas do modo mais correcto.
Com estas medidas, de aplicação gradual [12], termina efectivamente a política habitual segundo a qual muito do equipamento de PD era ignorado após a instalação, conduzindo à conhecida designação “fit and forget”, na literatura anglo-saxónica.
Estas medidas permitem também que o aumento da penetração da PD na rede de distribuição seja acompanhado de uma melhoria dos custos de operação, uma vez que a transição para uma filosofia de gestão activa da rede permite incrementar os níveis de produção distribuída sem haver necessidade de investimentos em reforços da rede. No entanto, os limites continuam a existir e apenas uma utilização conjunta e coordenada de todas estas novas componentes de gestão activa da rede permitirá maximizar a integração em larga escala de PD [12].
Como se verá em detalhe na Secção 2.5, a agregação de elementos de DER (incluindo estruturas de comunicação e controlo) que operam segundo as filosofias já referidas, possibilita a criação de unidades que podem funcionar autonomamente se assim for requerido, sendo denominadas de micro-redes (ou
MicroGrids, na literatura em língua inglesa).
2.2.2 Factores de Mudança
Actualmente é perceptível através da comunicação social que existe uma tendência para o aumento da produção distribuída. Os factores que contribuem para tal facto não partem de entidades tradicionalmente ligadas ao sector eléctrico (empresas de produção, transporte ou distribuição), mas encontram-se antes associados a questões comerciais, competitivas ou ambientais [7].
Sendo este aumento da penetração da PD uma realidade que, em muitos casos, é apoiada pelos governos devido aos possíveis impactos positivos de ordem ambiental e económico-social [11], uma atitude proactiva por parte das entidades do sector eléctrico será certamente a correcta, permitindo um melhor aproveitamento futuro de todas as potencialidades que a PD traz.
Deste ponto de vista, apresentam-se nos pontos seguintes os principais factores de mudança que podem potenciar o crescimento e a adopção da PD no futuro [11]:
Questões Ambientais
Desde a aprovação do Protocolo do Kyoto que muita atenção é prestada pela comunidade aos níveis de emissão de gases com efeito de estufa. Este facto tem fomentado a procura de novas fontes de energia, com menos emissões de CO2 e mais limpas do que as actualmente em uso.
A instalação na rede de unidades de PD conduz a uma redução equivalente na produção com origem em centrais convencionais, que utilizam principalmente combustíveis fósseis. No caso da instalação de PD com origem em fontes renováveis, ocorrerá uma diminuição proporcional das emissões [13]. O grande rendimento combinado da PD do tipo CHP (Combined Heating & Power, na literatura anglo-saxónica) permite também considerar que os níveis de emissões são comparativamente reduzidos [10] o que a pode tornar atractiva em aplicações muito diversificadas.
No entanto, a combinação da PD com a gestão activa da rede pode contribuir claramente para diminuir as perdas nas linhas devido à redução dos trânsitos de potência [13] o que, indirectamente, permite reduzir as emissões com origem nas centrais convencionais já existentes.
Outro contributo que se pode classificar como tendo carácter ambiental relaciona-se com o que foi referido no parágrafo anterior. A potencial redução dos trânsitos de potência que a utilização correcta da PD pode produzir conduz também à redução do congestionamento das linhas e transformadores. Assim, se convenientemente considerada no planeamento das redes, a inclusão da PD permite adiar o investimento em reforço de linhas ou transformadores [14]. Adicionalmente, a produção acrescida pode permitir adiar a construção de novas centrais convencionais de grandes dimensões [11]. Tendo em conta que a criação de novos corredores para a passagem de linhas pode ser vista como uma questão ambiental, também devido a razões estéticas (para além de ser actualmente um problema social complexo), e que as centrais convencionais se encontram sob forte escrutínio da opinião pública, toda a contribuição que a PD possa dar para limitar controvérsias com esta origem será bem-vinda.
Questões Económicas
O elevado risco financeiro associado à construção de grandes centrais de produção de energia eléctrica tende a desencorajar a sua edificação e a favorecer o investimento em instalações de pequena dimensão (produção distribuída, por exemplo) uma vez que o risco a elas associado é menor [11]. Adicionalmente, o facto de este tipo de tecnologia ser geralmente de instalação rápida e de construção modular, facilmente expansível [10], reduz ainda mais o risco assumido pelas entidades exploradoras ou investidoras e torna mais interessante a integração de PD na rede de distribuição, uma vez que permite acompanhar com relativa facilidade o crescimento dos consumos.
Este clima de competitividade é também responsável, em simultâneo, pelo grau de desenvolvimento tecnológico que se pode observar nos últimos anos no que diz respeito aos sistemas que podem ser destinados à PD. Os sistemas já em comercialização (alguns dos quais descritos na Secção 4.2) vêm alargar o leque de escolhas à disposição dos consumidores e incluem-se na definição mais alargada de DER, anteriormente referida, por incluírem sistemas avançados de armazenamento de energia. Esta diversidade de sistemas no mercado permite aos diferentes consumidores definir com relativa facilidade aquilo que melhor se adequa às suas necessidades.
Por outro lado, as entidades com intervenção na gestão da rede podem procurar orientar os investimentos em PD com recurso a incentivos que, como se sublinha em [14], deverão ser baseados nos benefícios reais que as instalações de PD induzem e não em reduções fiscais, subsídios ou outros apoios governamentais mais artificiais. Alguns dos benefícios que podem justificar os incentivos referidos, assim como sugestões de aplicação, são referidos sucintamente nos parágrafos seguintes.
Não é necessário referir o quão importante a fiabilidade do fornecimento de energia eléctrica é para o consumidor actual. Toda a interrupção de fornecimento acarreta geralmente custos consideráveis, razão pela qual se justificam investimentos apreciáveis para as evitar. A produção distribuída pode ter um contributo importante para a minimização destas interrupções, principalmente se lhe for permitido operar em modo isolado, permanecendo a alimentar pelo menos algumas das cargas enquanto o resto da rede aguarda a recuperação da falha [15]. Como foi brevemente referido na Secção 2.2.1, o conceito de micro-rede já prevê esta possibilidade e em [15], por exemplo, é proposto um método de avaliação do contributo destas soluções para a melhoria dos índices de fiabilidade.
Alguma da produção distribuída existente na rede de distribuição poderia considerar-se como estando já instalada, mas sob outra forma: a grande quantidade de geradores de emergência que, na generalidade dos casos, não são autorizados a operar em paralelo com a rede. Se esta situação fosse alterada, passaria a existir o potencial real para a limitação dos picos de consumo dos diagramas de carga diários. A redução destes picos apresenta vantagens em dois pontos principais:
• Tende a reduzir os gastos com energia eléctrica devido à redução da procura de ponta, altura em que os preços costumam ser mais elevados [16];
• Tende a reduzir o congestionamento em linhas importantes e ajudar a suprir necessidades pontuais elevadas, evitando assim possíveis blackouts [17].
Adicionalmente, pelo facto de se encontrar próxima dos pontos de consumo, a produção com origem nestes geradores de emergência tende a evitar alguns dos custos associados ao uso das redes, nomeadamente no que diz respeito às perdas na rede [16] (factor que, adicionalmente, compensa em parte a menor eficiência, habitual neste tipo de sistemas produtores).
Como foi já referido no ponto anterior associado às questões ambientais, a produção distribuída tem o potencial para evitar ou atrasar o reforço de linhas e transformadores e a construção de novas centrais ou subestações (ou expansão das já existentes). Esta capacidade para evitar ou adiar o investimento em infra-estruturas advém, em grande parte, da modularidade e localização da PD, que lhe permite acompanhar o crescimento das cargas no sistema, limitando assim o modo como este aumento se faz sentir sobre as estruturas tradicionais de transporte e produção [18].
O conjunto de serviços genericamente denominados como serviços de sistema é normalmente remunerado sempre que prestado por unidades convencionais. Com o advento da gestão activa das redes e a elevada penetração de produção distribuída, é expectável que a contribuição de grupos de sistemas de PD possa ser também compensada economicamente por prestar serviços de sistema na rede de distribuição [11] (sistemas individuais de pequena dimensão tenderão a ter uma contribuição demasiado incipiente para ser considerada). Caso não seja prestada este tipo de contribuição, a PD instalada irá contribuir apenas para reduzir os níveis de produção de potência activa dos grandes produtores centralizados sem acomodar, em simultâneo, as responsabilidades adicionais que estes têm ao nível do controlo de frequência, controlo de reactiva, gestão de reservas e controlo de níveis de tensão, por exemplo. Isto conduzirá a um acréscimo dos custos de exploração do sistema os quais podem ser limitados evitando a instalação de PD passiva.
A redução de perdas na distribuição foi um dos potenciais benefícios da PD já referido e o assunto tem vindo a ser estudado por diversos autores desde há já algum tempo [19, 20]. O facto de as entidades reguladoras incentivarem as operadoras das redes de distribuição a diminuírem as perdas [21] pode conduzir, por sua vez, a que estas operadoras atribuam incentivos aos donos de instalações de PD proporcionais às perdas evitadas. Para conseguir atribuir estes incentivos correctamente é necessário determinar a contribuição que cada instalação de produção distribuída tem para a redução de perdas, o que pode ser feito do modo descrito em [22, 23], por exemplo. Existem também estudos, como o apresentado em [24], que procuram identificar a melhor localização para a instalação de PD. No entanto, a utilidade desta abordagem pode ser considerada limitada se tivermos em conta que quem instala sistemas de produção distribuída pretenderá fazê-lo perto das suas próprias instalações de consumo e não em locais definidos pelo gestor da rede de distribuição [18].
Questões Estratégicas
Actualmente tem havido uma atenção permanente sobre os recursos energéticos e o preço dos produtos petrolíferos. O recente pico no preço do petróleo alertou o mundo (uma vez mais) para a dependência que a civilização dele tem, o que tornou de novo actual a discussão sobre fontes de energia alternativas e independência energética.
Uma vez que o bem-estar social depende actualmente, em larga medida, de um fornecimento continuado de energia, é necessário assegurar que no futuro seja possível manter este fornecimento sem interrupções e conservar reservas energéticas confortáveis. Espera-se que a produção distribuída possa dar um contributo importante para esta função, particularmente em duas vertentes [11]:
• Estando, por definição, dispersa pela rede e potencialmente próxima dos consumidores, qualquer falha tem um impacto muito reduzido quando comparado com uma central ou linha de transmissão convencional.
• Dado que o petróleo, tudo o indica, irá aumentar significativamente o seu preço no futuro, é evidente o interesse pela redução da dependência deste produto e pela diversificação de fontes de energia. A PD possibilita esta diversificação pois pode usar uma grande variedade de recursos energéticos, alguns deles renováveis, ao passo que as centrais convencionais que não a carvão tendem a usar combustíveis fósseis provenientes de países tradicionalmente instáveis. Outro factor estratégico relaciona-se com a importância que os países dão, nas políticas que adoptam, ao desenvolvimento de novas tecnologias como motor de desenvolvimento social e económico. Assim, uma das razões para o incentivo ao crescimento da PD pode ser, tão simplesmente, a ideia de que a adopção destas políticas irá contribuir para o enriquecimento dos países, diminuição do desemprego e melhorias do bem-estar social.
2.3 Questões Técnicas
As redes de distribuição, habitualmente com uma estrutura radial, não foram pensadas para possibilitar a injecção de potência em qualquer local. Os principais problemas que podem resultar de uma forte presença de PD nas redes de distribuição são os seguintes:
1. Inversão dos trânsitos de potências em relação ao sentido típico (da subestação para os consumidores);
2. Variações nos perfis de tensão;
3. Dificuldades na coordenação das protecções.
Adicionalmente, devido ao tipo de tecnologias utilizadas ou às estratégias de operação adoptadas, outros problemas técnicos podem ser identificados. Muitos deles são passíveis de ser minorados se for utilizada a abordagem integrada, de gestão activa da rede, que tem sido preconizada [11]. Nos pontos seguintes procura-se discutir as questões técnicas mais relevantes cuja análise não pode ser descurada para a correcta integração de PD em redes de distribuição. Tentará aprofundar-se um pouco mais a discussão nos pontos mais importantes para este trabalho, nomeadamente no que diz respeito à operação em modo isolado e à variação dos perfis de tensão.
2.3.1 Perfis de Tensão
Como foi já referido, a integração em larga escala de produção distribuída pode ter um efeito prejudicial (mas também benéfico) nos perfis de tensão. A situação mais problemática acontece quando as cargas da rede se situam em valores baixos e a PD se encontra a produzir próximo do seu máximo. No caso de se considerar, como tem vindo a ser a regra, que a rede é passiva e que a PD funciona apenas como uma “carga negativa”, os limites permitidos para as potências de produção distribuída a instalar serão muito limitados.
Na Figura 2.3 pode ver-se, de um modo simplista, a influência que a produção distribuída pode ter