Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
2.1. Redes eléctricas – abordagens e perspectivas de evolução
O desenvolvimento das sociedades está fortemente dependente da evolução e da sustentabilidade do sistema eléctrico. Tipicamente o bom funcionamento dos sistemas assegura-se actuando sobre a produção, sobre as redes de transporte e sobre a distribuição. Contudo, a crescente penetração de produção distribuída ao nível das redes de distribuição de média e baixa tensão, a liberalização dos mercados de energia, o desenvolvimento de sistemas automáticos de controlo de cargas e o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, obrigaram a um urgente desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas e infra-estruturas de energia eléctrica [Roscoe A., 2004].
No contexto actual é possível verificar que cada vez mais consumidores participam na produção de energia eléctrica através de sistemas de produção distribuída. Com o aparecimento e implementação dos mercados liberalizados de electricidade e com o desenvolvimento das tecnologias de produção distribuída, as redes eléctricas do futuro terão que evoluir no sentido de permitir aos utilizadores desempenharem um papel activo, como produtores de energia eléctrica, na gestão do consumo e numa fase mais avançada no próprio controlo e gestão da rede, de forma parcial e coordenada com os restantes players intervenientes [Morais H. et al., 2010].
É evidente que será necessário desenvolver modelos que permitam a coexistência entre a produção centralizada e a produção distribuída. É necessária a integração de tecnologias de informação e comunicação que transformem o sistema numa rede inteligente e interactiva, através de um protocolo comum onde seja possível a troca de informação relativa à energia produzida e consumida, o que permite distribuir o controlo da rede de distribuição por níveis hierárquicos pré-definidos. Nesse sentido na Europa e nos Estados Unidos surgiram vários projectos de investigação como já foi referido, onde se destacam as Redes Activas [Fontela M.
et al., 2004], as Microgrids [Hirsch A. et al., 2018], Agentes Virtuais [Morais H. et al., 2005], as Smart Grids [Hove P., 2008] e as Super Grids [Elliott D., 2013].
2.1.1. Redes Activas
Para diversos autores a gestão das redes activas pressupõe a divisão das redes em células, sendo estas geridas individualmente [Fontela M. et al., 2004]. Este conceito pressupõe uma adaptação das redes em função do seu estado de funcionamento, contudo não teria grande impacto na topologia das redes. A principal diferença residiria no controlo hierárquico, o que implica custos elevados nesta área uma vez que a divisão consiste na separação da rede em troços ao nível da rede de média tensão, denominados por células e regidos por um elemento agregador que tem como objectivo optimizar o funcionamento da rede que tem a seu cargo, assegurando desta forma, elevada continuidade de serviço e promovendo assim a interligação de novos produtores. O modelo de Redes Activas introduz dois novos conceitos, a promoção da interligação de novos consumidores/produtores de forma simples assim como a interacção com os consumidores/produtores, permitindo-lhes saber qual a melhor forma de gerir os seus recursos e consumos em tempo real.
2.1.2. Microgrid
O desenvolvimento do conceito Microgrid resulta de um projecto financiado pela União Europeia, este conceito baseia-se em controlar todas as cargas, dispositivos de armazenamento e produção ao nível da rede de distribuição de baixa tensão [Hirsch A. et al., 2018]. O consumidor deverá usufruir de energia térmica e eléctrica, adicionalmente terá maior fiabilidade, menor emissão de gases de efeito estufa e melhor qualidade de energia, prevendo- se ainda uma redução de perdas nas linhas de transmissão. As Microgrids incentivam assim o desenvolvimento local e potenciam a redução dos preços de energia.
2.1.3. Smart Grid
O conceito de Smart Grid surgiu na Europa em 2005 [EC, 2006], em resposta aos objectivos traçados para 2020 ao nível do sector energético, nomeadamente na utilização de 20% de fontes de energia renovável para produção de energia, redução de 20% no consumo e redução de 20% de gases de efeito estufa [ERGEG, 2010]. Neste sentido a Comissão Europeia está a desenvolver novas orientações para os estados membros como é o exemplo da “Energy
2009 – 7.3.5 Novel ICT Solutions for Smart Electricity Distribution” [Hove P., 2008].
A definição deste conceito está longe de ser consensual tanto no meio científico como no meio industrial, mas apesar das diferentes interpretações do IEEE Smart Grids ou da Comissão Europeia, começam a aparecer pontos de convergência tal como acontece nos sistemas de Smart Metering, o que indica um esforço colectivo para a criação de novos padrões
de normalização, indispensáveis para a evolução e consolidação de novos conceitos. Em [Aleksic S. and Mujan V., 2018] é feita a análise das potenciais vantagens deste conceito, fazendo uma abordagem aos benefícios/custos e vantagens/desvantagens dos equipamentos adicionais de tecnologia de informação que devem ser instalados como os medidores inteligentes.
2.1.4. Supergrid
Recentemente um novo conceito chamado de Supergrid [Elliott D., 2013], começa também a ganhar forma. Este modelo ainda está numa fase embrionária e surge da possibilidade de criar um sistema de transporte de energia totalmente independente do sistema de transporte tradicional. No sistema tradicional a energia produzida através de centrais é transportada em corrente alternada, o que dá origem a perdas significativas de energia. O conceito da Supergrid assenta num sistema de transporte da energia produzida em fontes renováveis (como grandes parques eólicos, parques solares e centrais hidroeléctricas) que será transportada para os centros urbanos de consumo em corrente contínua, a uma tensão bastante elevada, de forma a minimizar perdas de transmissão. Assim este sistema ambiciona fazer o transporte de grandes quantidades de energia a grandes distâncias, contribuindo para uma Supergrid global, que permite flexibilizar o transporte de energia no mundo, tendo como base a qualidade de serviço e zero emissões de carbono. Claro está que este conceito acarreta um investimento extremamente elevado ao nível da reformulação e modernização da rede de distribuição.
2.1.5. Agente Virtual
O conceito de agente virtual traduz-se uma entidade que agrega e representa os interesses de produtores, consumidores e unidades de armazenamento. Estas entidades começaram por ser chamadas de Virtual Power Producer, tinham a missão de ser entidades capazes de agregar vários tipos de produtores independentes, tal como produção distribuída. Desta forma pretendia-se potenciar as virtudes de todos os agregados, diminuindo as fragilidades de cada tipo específico de produção. Os produtores virtuais actuariam nos mercados de electricidade de forma análoga a um trader floor, comprariam energia aos produtores e colocá-la-iam no mercado através de bolsa ou através de contractos bilaterais [Morais H. et al., 2008].
A Figura 2.1 mostra um exemplo da actuação dos VPPs em contexto de mercados liberalizados:
Figura 2.1- Estrutura de agentes do simulador MASCEM com VPPs [Morais H. et al., 2008]
Contudo torna-se crescente a necessidade de os produtores virtuais desempenharem um papel mais abrangente na coordenação e gestão dos recursos a si agregados, tentando vender a energia eléctrica disponível de modo a maximizar os lucros. Diversas variantes de produtores virtuais têm sido propostas [Oliveira, et al., 2009], como por exemplo:
Parallel VPP (PVPP) – Incluem diversos tipos de produção com diferentes capacidades de produção, tipicamente com potências instaladas entre o 1MW e os 20 MW que têm em comum a possibilidade de acuarem em mercados paralelos ao mercado de electricidade, como por exemplo o mercado de carbono ou a venda de água quente; Large Scale VPP (LSVPP) – Agregam unidades de produção de grandes dimensões com
potências instaladas superiores a 20 MW e que estão ligadas à rede de AT ou MAT; Micro VPP (μVPP) – São VPPs que agregam unidades de pequenas dimensões,
tipicamente inferiores a 1MW. Normalmente são constituídos por muitas unidades de pequena dimensão, na ordem das centenas de kW, designadas por unidades de micro geração;
Global VPP (GVPP) – Estes produtores agregam produtores e consumidores;
Several VPP (SVPP) – Este não tem uma orientação definida podendo agregar produtores de diversos tipos.
Vários trabalhos foram desenvolvidos na matéria dos VPPs, outra perspectiva muito comum na literatura é denominada por Virtual Power Plant. Em [Saboori H. et al., 2011] são analisadas várias definições de VPP, os seus principais componentes, dando especial atenção ao CVPP (commercial VPP) e TVPP (technical VPP).
Em [Pandzic H. et al., 2013] é apresentada a perspectiva de Virtual Power Plant, definida esta entidade como sendo capaz de agregar unidades de produção distribuída e consumidores, que atuam no mercado como uma única entidade com principal objectivo de comprar e vender energia no mercado de dia seguinte, procurando assim maximizar o lucro.
Em [Ju L. et al., 2016] é feita uma abordagem considerando a influência da incerteza da produção da energia eólica e solar e resposta a programas de demand response na operação de uma Virtual Power Plant.
Ao conjugar os conceitos referidos anteriormente considera-se que o Agente Virtual ideal será capaz de gerir diversos recursos como unidades geradoras, armazenamento de energia, o consumo, a demand response, a rede de distribuição e a participação nos mercados de energia eléctrica.