Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Avaliação de Impacto da Gestão Activa de Cargas
na Exploração e Reforço de Redes Eléctricas
Pedro Miguel Carvalho Pereira
V
ERSÃOF
INALDissertação realizada no âmbito do
Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Major Energia
Orientador: Prof. Doutor João Abel Peças Lopes
ii
iii
Este documento apresenta o trabalho realizado no âmbito do tema da dissertação. Fez-se um estudo dos diversos tipos de equipamento e a sua contribuição para o diagrama de carga. Para as cargas consideradas elegíveis, foi analisado o melhor método de controlo e de aplicação da gestão activa da procura, fazendo-se a sua simulação numa rede de distribuição. Com os resultados do simulador criado foi possível ganhar a noção dos níveis de potências de pico e da quantidade de energia deslocada. Com a extrapolação dos dados relativamente ao crescimento da potência de pico ao longo dos anos em Portugal, foi possível prever qual o período de adiamento do investimento.
Foi ainda pesquisado tipos de remuneração já existente para os participantes nestes serviços prestado à rede.
v
This document presents the work done under the theme of the dissertation.
A study was made of the various types of equipment and its contribution to the load profile. For charges considered eligible, the best method of control and implementation of demand-side management was analyzed, to make a simulation on a distribution network. With the results of the simulator created, it was possible to gain notion of the levels of peak power and the amount of energy displaced. By extrapolating the data for the growth of peak power over the years in Portugal, it was possible to predict the period of investment postponement.
It was also researched existing types of payment for participants in this services provided to the network.
vii
Com os melhores agradecimentos ao Professor Doutor João Abel Peças Lopes, pela oportunidade de poder trabalhar sob a sua orientação, pela disponibilidade que sempre demonstrou e pelas críticas e opiniões dadas sempre no intuito de melhoramento deste trabalho.
À Unidade de Sistemas de Energia (USE) do Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto (INESC), pelo apoio, pelo fornecimento de dados e por toda a ajuda prestada.
A todos os meus amigos, que me acompanharam ao longo do mestrado, sem eles este percurso teria sido muito mais difícil.
À Márcia pelo apoio incondicional, incentivo, paciência e ajuda em todos os momentos. Em especial aos meus Pais, Irmão e Madrinha, sem a sua confiança, apoio e carinho esta ―viagem‖ não teria sido possível.
ix
Resumo ... iii
Abstract ... v
Agradecimentos ... vii
Índice ... ix
Lista de figuras ... xi
Lista de tabelas ... xiii
Abreviaturas e Símbolos ... xv
Capítulo 1 ... 1
Introdução ... 1 1.1 - Contexto e Objectivos ... 1 1.2 - Estrutura do Documento ... 2Capítulo 2 ... 5
Estado de Arte ... 52.1 -Gestão Activa da Procura ... 5
2.2 -Cargas Elegíveis ... 10 2.2.1 - Ar Condicionado ... 11 2.2.2 - Bomba de Calor ... 15 2.2.3 - Veículos Eléctricos ... 16 2.2.4 - Produtos Brancos ... 17 2.3 -Comunicação... 23 2.4 -Smart Metering... 26 2.5 -Carga Residual ... 27
2.6 -Avaliação da Flexibilidade de Carga ... 29
Capítulo 3 ... 33
Simulação ... 33
3.1 -Caracterização das Cargas ... 33
3.2 -Controlo dos Diferentes Equipamentos ... 37
3.3 -Construção do Simulador ... 43
3.4 -Adiamento do Investimento da Rede de Distribuição ... 46
x
Capítulo 4 ... 47
Resultados ... 47
4.1 -Rede de Distribuição Teste ... 47
4.2 -Simulação ... 50
4.3 -Adiamento de Investimento ... 56
4.4 -Remuneração e Avaliação de Resultados ... 60
Capítulo 5 ... 63
Conclusão ... 63 5.1 -Objectivos Alcançados ... 63 5.2 -Perspectivas de Desenvolvimento ... 64Referências ... 67
Anexo ... 71
Dados da Rede Teste ... 71
Rede de Teste ... 71
Dados das Linhas e Cabos da Rede Teste ... 72
Dados do Transformador... 76
xi
Figura 2.1 – Diferentes formas para o diagrama de carga adquirir através do DSM
(adaptado de [35]). ... 6 Figura 2.2 - Componentes e funcionamento de um ar condicionado. ... 12 Figura 2.3 - Consumo do compressor de um ar condicionado a variar com a temperatura
externa e a humidade. ... 13 Figura 2.4 – Exemplo do efeito ‖payback‖. Ar condicionado desligado durante 15min e
ligado 45min (adaptado de [21]). ... 14 Figura 2.5 – Transferência de energia numa bomba de calor. ... 15 Figura 2.6 – Posto de carregamento de um veículo eléctrico (Nissan Leaf). ... 17 Figura 2.7 – Diagrama de carga nacional do dia 11-01-10 (retirado do centro de
informação da REN). ... 18 Figura 2.8– Consumo da máquina de lavar roupa num ciclo em 30°C e em 60°C (retirado
de [33]). ... 19 Figura 2.9 – Diagrama de carga para máquinas de lavar roupa em 1997 (retirado de [33]). ... 19 Figura 2.10 – Consumo da máquina de secar roupa do tipo exaustão (retirado de [33])... 20 Figura 2.11– Diagrama de carga para máquinas de secar roupa de 1997 (retirado de [33]). ... 21 Figura 2.12 – Consumo da máquina de lavar louça (retirado de [33]). ... 22 Figura 2.13– Diagrama de carga para máquinas de lavar louça de 1997 (retirado de [33]). ... 22 Figura 2.14 – Possível estrutura de troca de informação na rede eléctrica (retirado de
[12]). ... 24 Figura 2.15– Possível troca de informação entre o operador e o participante no DSM
activo. ... 25 Figura 2.16 – Diagrama de carga representando o conceito de carga residual. ... 28 Figura 2.17 – Diagrama de carga representando a carga residual com a implementação de
xii
Figura 3.1 – Repartição dos consumos pelos diferentes tipos de carga no sector residencial
(retirado de [33]). ... 34
Figura 3.2 – Níveis de penetração dos diferentes equipamentos (retirado de [33]). ... 34
Figura 3.3 – Diagrama de carga para os diferentes equipamentos (retirado de [33]). ... 35
Figura 3.4 – Consumo previsto para 2020 para os diferentes equipamentos. ... 36
Figura 3.5 – Diagrama de carga previsto para 2020 para os diferentes equipamentos. ... 37
Figura 3.6 – Evolução da temperatura no interior da habitação. ... 40
Figura 3.7 – Comportamento de um termoacumulador (retirado de [37]). ... 41
Figura 3.8 – Exemplo de sumário do sistema obtido pelo MATPOWER. ... 43
Figura 3.9 – Fluxograma resumido do Simulador. ... 45
Figura 4.1– Esquema unifilar da rede de distribuição analisada. ... 48
Figura 4.2 – Zonas com violação dos limites. ... 49
Figura 4.3 – Diagrama de carga inicial e limite de transmissão de potência ... 50
Figura 4.4 – Diagrama de carga aplicado o controlo dos VE e das CB. ... 51
Figura 4.5 – Exemplo de um mau controlo. ... 52
Figura 4.6 – Diagrama de carga aplicando todas as medidas de DSM. ... 53
Figura 4.7 – Tensão no nó 199 com o diagrama de carga original (DCO) e com o diagrama de carga com a aplicação do DSM (DCDSM). ... 54
Figura 4.8 – Trânsito de potência na linha 118-119 com o diagrama de carga original (DCO) e com o diagrama de carga com a aplicação do DSM (DCDSM). ... 54
Figura 4.9 - Perdas na rede com o diagrama de carga original (DCO) e com o diagrama de carga com a aplicação do DSM (DCDSM). ... 55
Figura 4.10 – Evolução da potência de pico ao longo dos anos e potência instalada em Portugal [36]. ... 57
Figura 4.11 - Evolução da potência de pico ao longo dos anos e previsão até 2020. ... 58
Figura 4.12 – Adiamento de investimento utilizando o DSM activo. ... 59
xiii
Tabela 2.1 - Preço para as diferentes potências contratáveis em BTN. ... 8
Tabela 2.2 — Preço por kWh em €, para as diferentes tarifas e horários em BTN. ... 8
Tabela 3.1— Resumo do controlo das diversas cargas. ... 42
xv
Abreviaturas e Símbolos
Lista de abreviaturas
AC Ar-condicionado
AT Alta Tensão
AQS Águas Quentes Sanitárias BTN Baixa Tensão Normal BTU British Thermal Unit
CB Cargas Brancas
DCDSM Diagrama de Carga aplicado o Demand Side Management DCO Diagrama de Carga Original
DGEG Direcção Geral de Energia e Geologia DSM Demand Side Management
EDP Energias de Portugal EER Energy Efficiency Ratio
FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto GPRS General Packet Radio Service
IP Internet Protocol
LAN Local Area Network
MT Média Tensão
P Participant
PC Personal Computer
PLC Power Line Communication
REN Redes Energéticas Nacionais RIM Rate Impact Measure
T Termoacumuladores
TRC Total Resource Cost
UC Utility Cost
xvi Lista de símbolos h horas € Euro $ Dólar W Watt Wh Watt-hora J Joule ºC Grau Celsius L Litro % Por cento m Metro Hz Hertz CO2 Dióxido de carbono V Volt
p.u. Por unidade
VA Volt-ampere
Var Volt-ampere reactivo
A Ampere Ω Ohm F Farad n nano k kilo M Mega G Giga
Capítulo 1
Introdução
Este capítulo apresenta o problema estudado e o contexto em que se insere, assim como a estrutura deste documento.
1.1 - Contexto e Objectivos
A carga sempre foi vista como um parâmetro inalterável da rede eléctrica. A produção teria de a acompanhar e a rede teria de ser capaz de lidar com os trânsitos de potências solicitados. Esta linha de pensamento tem vindo a mudar com o tempo. A ideia de controlar activamente ou racionar a carga surgiu de um momento de crise energética, onde era difícil obter matéria-prima para a produção de energia eléctrica, aumentando assim os preços. Esse pensamento tem vindo a evoluir e actualmente, o controlo activo de carga coloca mais ênfase na questão da eficiência energética, nos problemas ambientais e no adiamento de investimento na infra-estrutura da rede. Este último aspecto possui uma elevada relevância, uma vez que, hoje em dia é cada vez mais difícil criar novas linhas de transmissão, e as subestações, principalmente em grandes centros urbanos, estão a ficar lotadas, não possuindo mais espaço disponível para fazer um reforço de potência ou no número de transformadores. O investimento na compra de um novo terreno é avultado, ajudando à opção económica da implementação do controlo activo da procura.
O DSM, demand side management, na literatura anglo-saxónica, consiste na alteração do comportamento de consumo do cliente. O seu objectivo é levar a que o cliente reduza consumo nas horas de pico, e/ou que este desloque carga para alturas de vazio. O DSM não implica, necessariamente, a redução do consumo total de energia, mas vai provocar o adiamento no investimento em infra-estruturas da rede eléctrica. O cliente é recompensado, pelo serviço prestado à rede eléctrica, com uma redução na sua factura energética, deste modo, ambos os intervenientes beneficiam com o controlo da carga.
2 Introdução
2
A implementação de programas de controlo da procura tem apresentado alguns desafios, nomeadamente, a energia poupada na realidade é inferior à prevista, o que causa problemas de credibilidade e o custo de implementação é elevado. Assim é necessário criar projectos-piloto para aumentar a credibilidade destes sistemas, mostrando resultados concretos e encontrar outra funcionalidade para rentabilizar o investimento feito em novos meios de comunicação para controlar de forma activa a carga, uma vez que na realidade, o controlo activo da carga é feito poucas horas durante um ano. Uma solução possível para aproveitar o investimento em novas linhas de comunicação são os contadores inteligentes. Estes permitem ao cliente monitorizar o seu consumo, bem como a criação de tarifários dinâmicos, com preços hora a hora e outros serviços avançados.
Neste trabalho caracteriza-se o comportamento dos diferentes tipos de carga e analisa-se a possibilidade do analisa-seu controlo. É importante definir o nível de potência a cortar, durante quanto tempo se corta a carga, a energia total reduzida e criar uma forma de quantificar a flexibilidade da carga, para ser utilizada numa futura análise sobre a remuneração deste serviço. Outro objectivo é identificar o número de anos que o investimento no reforço das infra-estruturas da rede pode ser adiado.
Este conceito de gestão da procura pode ser passivo ou activo. Neste trabalho apenas se trata do DSM activo.
Os principais desafios prendem-se com a diversidade de comportamentos das cargas na rede, na futura utilização de veículos eléctricos e no surgimento no mercado de tecnologias mais eficientes, como as bombas de calor, onde o diagrama de carga será desconhecido. Utilizando a lógica, supôs-se a forma do diagrama de carga com a introdução deste tipo de cargas.
Através da simulação do comportamento da Gestão Activa da Carga, numa rede de média tensão, vamos identificar os benefícios e os problemas do controlo da carga, tirando conclusões e obtendo sugestões para uma futura implementação deste sistema.
1.2 - Estrutura do Documento
Este documento está dividido em cinco capítulos, no primeiro é feita uma introdução ao contexto do problema, justificando qual a utilidade e o desafio de trabalho desta dissertação. No segundo capítulo os conceitos base subjacentes ao tema desta dissertação são revistos. Foi dada grande ênfase aos diversos tipos de cargas e aos seus comportamentos, pois só com a sua compreensão é possível um controlo de maneira realista. É referida um pouco da história do DSM, para se perceber a sua evolução ao longo do tempo e o seu estado actual, bem como os diferentes tipos de controlo da carga possível. É abordado o tema da comunicação, necessária à implementação deste programa, assim como uma possível maneira de avaliar os resultados obtidos.
3
O terceiro capítulo contempla a metodologia de resolução seguida, e a formulação matemática adoptada. É explicada, passo a passo, a forma de controlo de cada tipo de carga, bem como o funcionamento do algoritmo criado para a simulação dos efeitos de DSM activo sobre a rede.
O quarto capítulo apresenta os resultados obtidos com o simulador, bem como as conclusões que se podem retirar da sua análise. É feita a análise de adiamento de investimento, bem como a remuneração utilizada em casos reais já existentes.
No quinto capítulo apresentam-se as conclusões gerais de todo o trabalho desenvolvido, as suas implicações para o tema desta dissertação, os objectivos alcançados e as principais ideias de trabalho para um futuro desenvolvimento, tornando o simulador numa melhor ferramenta.
Capítulo 2
Estado de Arte
Neste capítulo é exposto o estado de arte relativo ao tema em que o trabalho se insere.
2.1 - Gestão Activa da Procura
A Gestão Activa da Procura - Demand Side Management (DSM) na literatura anglo saxónica, consiste basicamente no controlo da carga, geralmente de modo a evitar picos ou um crescimento demasiado rápido da procura, com benefícios para o consumidor, o fornecedor de energia e a sociedade. Com o crescimento da presença das energias renováveis no mix electroprodutor, especialmente a eólica, pode existir em alguns períodos capacidade de produção que não é aproveitada, pelo que, já se começa a pensar no DSM como uma maneira de transferir carga para esses períodos. De momento ainda não está muito definida a utilização do DSM activo, podendo servir para situações de emergência, económicas ou de transferência de carga.
6 Estado de Arte
6
Figura 2.1 – Diferentes formas para o diagrama de carga adquirir através do DSM (adaptado de [35]).
A ideia de gerir o consumo para aumentar a eficiência e ajudar à operação do sistema eléctrico iniciou-se nos anos 70 [2] devido às duas grandes crises energéticas dessa década. O preço da energia disparou com o embargo de petróleo dos países árabes, criando uma necessidade de conservação de energia. Assim seria mais barato pagar o ―não consumo‖ do que criar novas centrais eléctricas. O controlo da carga foi feito utilizando tarifas, em que o preço variava conforme a hora. Segundo os autores de ―Demand-Side Management to Improve
Power System Security‖ [4] os melhores locais para implementar na rede o DSM, são locais
onde uma pequena variação na energia activa afecta a estabilidade da tensão. Esforços para a implementação do DSM podem ser vistos um pouco por todo o Mundo, sempre com o intuito de melhorar a eficiência e a eficácia da utilização da electricidade e como sendo um meio de apoio para a rede de distribuição e para os consumidores. A partir dos anos 70 foram-se criando alguns projectos-piloto para averiguar as vantagens e os desafios que se iriam enfrentar para uma implementação a grande escala deste conceito. A carga sempre foi vista como algo intocável e a rede teria de se adaptar a esta, nunca o contrário, mas essa mentalidade foi mudando ao longo dos tempos, com as dificuldades de expansão da rede de distribuição. Nos anos 80 o DSM foi visto como um potenciador para alcançar objectivos de conservação de energia, gestão da carga e desenvolvimento estratégico da electrificação. Começou a surgir uma preocupação que os grandes programas de DSM estariam a aumentar a eficiência e a diminuir o consumo, o que se traduzia na redução de lucro para os produtores de energia. Estas preocupações tinham razão pois a procura diminuiu e os produtores tinham que pagar os seus encargos fixos independentemente da energia que vendessem. Assim foram aumentadas ligeiramente as tarifas para cobrir os custos fixos dos produtores,
7
independentemente da venda de energia. Começam a surgir as visões conflituosas do DSM, entre os produtores, os consumidores e a sociedade. Foram nestes anos que começaram as primeiras experiências com tarifário em tempo real, cada hora teria um preço por kWh especifico, o cliente é normalmente avisado com 24h de antecedência. No inicio dos anos 90 novos mecanismos de regulação do DSM foram implementados, aumentando os incentivos para programas que promovessem a eficiência energética. O DSM aumentou consideravelmente, atingindo o pico de investimento nos Estados Unidos em 1993 com um investimento anual de 3.2 mil milhões de dólares (2.4 mil milhões de euros), totalizando 1.7% da receita dos fornecedores de energia eléctrica [35]. A meio dos anos 90 a concorrência de produtores independentes, que utilizavam centrais de turbina a gás natural começou a ameaçar a estrutura vertical dos fornecedores de energia eléctrica, assim começaram a cortar custos especialmente com os programas de DSM, caindo o investimento abruptamente. No final dos anos 90 os reguladores estavam preocupados com a diminuição do investimento nos programas de DSM, criando uma taxa de ―bem público‖ na tarifa que, em certa maneira, refinanciou o programa. De 2000 até aos nossos dias, com o aumento do preço dos combustíveis fósseis, os programas de DSM têm ganho novo interesse e a sua aplicação começou a ser estudada em diversos países, incluindo Portugal. O principal interesse tem passado pela criação de uma tarifa com preços em tempo real. Graças à evolução das tecnologias de comunicação e de sistemas de informação, esta tarifa pode começar a ser estudada ao nível dos consumidores domésticos.
Existe uma directiva Europeia (EU/54/2003 [32]) que diz claramente que o DSM deve ser considerado como um plano possível para a resolução dos problemas da expansão da rede de distribuição. Com o crescimento das cidades torna-se cada vez mais difícil a expansão da rede de distribuição pois simplesmente não existe mais espaço disponível, ou o investimento para a compra de novo espaço é avultado. É nestas situações que o DSM activo se torna mais interessante e economicamente atractivo, pois a redução da carga não é vista com bons olhos quer do lado do produtor (quer vender energia) quer do lado do consumidor (quer garantir níveis de conforto).
As principais vantagens do controlo do lado da procura são o aumento da robustez do sistema relativamente a fenómenos de colapso de tensão, evitando por exemplo sobrecargas não permanentes, e o aproveitamento máximo das infra-estruturas já existentes da rede eléctrica, prevenindo ou adiando assim novos investimentos. Pode-se também considerar uma possível redução das perdas, por redução de carga, como uma possível vantagem.
Existem duas maneiras de controlar a carga [4]:
- Indirectamente: Com base em indicações económicas para os consumidores, estes reduzem a carga nos períodos mais caros, passando-a para períodos mais baratos. Também se criam taxas para a potência máxima contratada pelos consumidores, limitando assim a carga máxima solicitada.
8 Estado de Arte
8
- Directamente: Desligando ou ligando as cargas directamente no consumidor.
Em Portugal já existe o controlo indirecto das cargas, com tarifas bi-horárias e tri-horárias com preços reduzidos nas horas de vazio e preços mais avultados em horas de ponta. O preço também aumenta com o aumento da potência máxima consumível.
De seguida são apresentadas as tabelas com os diferentes preços para as potências e horários de consumo da Baixa Tensão Normal (BTN) [31].
kVA EUR/mês
Tarifa simples, bi-horária e tri-horária
3,45 5,51 4,60 7,16 5,75 8,80 6,90 10,44 10,35 15,37 13,80 20,30 17,25 25,23 20,70 30,16
Horas de ponta Horas de cheias Horas de vazio
Tarifa simples 0,1326 0,1326 0,1326
Tarifa bi-horária 0,1448 0,1448 0,0778
Tarifa tri-horária 0,1593 0,1373 0,0778
O DSM activo pode ser usado também, num futuro próximo, para permitir albergar mais geração dispersa. A integração de geração dispersa dificulta o equilíbrio entre produção e procura, com os problemas de frequência associados. O DSM activo será uma opção viável para ajudar ao balanço entre energia produzida e energia consumida [21]. Pode-se pensar no controlo da carga, não só do aspecto de redução de energia mas como num possível aumento. Esta situação será vantajosa para aproveitar os recursos das energias renováveis, onde por exemplo, em noites ventosas, a energia eólica não pode ser totalmente aproveitada, pois não há carga para acomodar esta produção, podendo-se desperdiçar assim esta energia. Hoje em dia tenta-se armazenar esta energia fazendo a bombagem nas grandes centrais hídricas que dispõe desta tecnologia, mas com o surgimento dos veículos eléctricos será possível, por exemplo, carregar estes veículos durante estes períodos [26].
Foi pensada a utilização do DSM activo, para em horas de vazio, onde possa existir um excesso de produção por parte das energias renováveis, e que causam um elevar da tensão na
Tabela 2.1 - Preço para as diferentes potências contratáveis em BTN.
9
rede, dar ordem para se consumir carga, eliminando assim o problema de sobretensão. Dependendo da remuneração, esta poderá ser uma alternativa a desligar os geradores, aproveitando também desta maneira a energia disponível.
Segundo os autores de ―Demand Side Response 21St Century Style‖ [2] o DSM vai ser essencial para um mercado eléctrico competitivo e funcional.
Os principais problemas encontrados nos projectos-piloto de implementação foram segundo os autores de ―Demand-side Integration for Customer Choice through Variable
Service Subscription‖ [8]:
- Agregação; - Automação;
- Confiança do operador de sistema; - Justificação económica;
- Conveniência para o cliente;
- Estrutura de mercado e preços de venda.
Como com todos os produtos inovadores existe sempre resistência à mudança, mas com a ajuda da tecnologia esses problemas serão ultrapassados.
Do ponto de vista do cliente, este vai estar relutante em aderir a um controlo das suas cargas, vai estar preocupado com o aspecto remuneratório, quantas vezes a carga irá ser cortada, a duração do corte e se o religar da carga não irá produzir um aumento final da energia gasta. É importante esclarecer o cliente quanto a estes aspectos, e associar sempre a adesão da sua empresa ou habitação a esta iniciativa, como uma empresa amiga do ambiente, ou uma empresa ―verde‖, sendo assim uma mais-valia também para a imagem de marca das empresas e um bem para a sociedade.
É importante dar diferentes opções ao cliente à maneira como a carga pode ser controlada, segundo os autores de ―Intelligent Demand Response Scheme for Customer Side
Load Management‖ [13], três tipos de resposta são propostos:
- Totalmente Automatizado. Talvez o melhor dos três métodos, não envolve qualquer intervenção humana, existe um algoritmo que procura a melhor acção a tomar e aplica-a, evitando perdas de tempo com um sinal de permissão humano. O controlo da carga é feito através do envio de sinais externos. De qualquer forma é importante o cliente possuir uma forma de ajustar as ordens recebidas pelo sistema.
- Semi-automatizada. Envolve um pré-programa com a estratégia de resposta da procura, é iniciada por um operador humano.
- Manual. O operador humano recebe a ordem para desligar a carga a uma determinada altura, cabe a este desligar manualmente a carga.
A participação de humanos nas operações de resposta da procura é problemática, pois o operador responsável por diminuir ou desligar as cargas pode faltar ao seu emprego, ou não se encontrar no local quando a ordem é emitida, atrasando e comprometendo assim o
10 Estado de Arte
10
processo de controlo das cargas. É por este motivo que se deve optar pela opção mais automatizada possível.
Os autores do artigo ―DSM in Spain. GAD project. Aims, developments and initial results‖ [28] indicam quais os objectivos da implementação do DSM:
- Optimização das infra-estruturas já existentes;
- Melhoramento e maior robustez da segurança do sistema eléctrico;
- Desenvolvimento da consciência da sociedade sobre os custos de geração em alturas de pico de procura;
- Redução da emissão de gases de estufa;
- Desenvolvimento da indústria nacional relativamente a redes inteligentes e contadores inteligentes (smart grid and smart metering).
O controlo de cargas já possui alguma história, embora, apenas agora, com os avanços da tecnologia, seja possível a implementação a grande escala destes programas. Como foi descrito, o controlo da carga possui diversos benefícios, pelo que é vantajoso o seu estudo e implementação.
2.2 - Cargas Elegíveis
As cargas elegíveis para controlo activo têm que possuir uma das seguintes características segundo os autores do artigo ―Demand Side Management As A Support To Distributed
Generation In Active Networks‖ [3]:
- Ter a possibilidade de usar outra fonte de energia que não a eléctrica. São exemplo o aquecimento de um edifício utilizando como fonte primária de energia o gás, em vez da electricidade.
- Capacidade de armazenamento de energia de algum tipo (por exemplo eléctrica, térmica, etc.) que possa ser utilizada numa altura posterior. A capacidade de armazenamento pode ser interna à carga (possuir baterias, ou no caso térmico na forma de gelo para arrefecimento ou tijolos aquecidos para o aquecimento), ou pode ser externa à carga (capacidade que o meio ambiente externo à carga tem para armazenar energia).
As cargas podem ter dois tipos de procura, contínua, como é o exemplo de iluminação, PCs, televisões, etc., ou do tipo discreto, como por exemplo elementos de refrigeração, ACs ou dispositivos controlados por um termóstato. O controlo deste último tipo de carga é problemático, pois o estado do seu ciclo de funcionamento é incerto, pode receber uma ordem para desligar, e encontrar-se fora do seu duty cycle, não produzindo assim nenhum benefício real. Controlar este tipo de carga traz incerteza, sendo por isso importante a troca de informação entre a carga e o operador da rede, ou a criação de bons modelos de previsão.
De seguida vamos analisar individualmente as cargas nas quais pode ser aplicado o DSM activo, caracterizando-as e justificando o porquê de serem boas cargas para serem controladas.
11
2.2.1 - Ar Condicionado
O ar condicionado representa uma componente muito elevada do consumo na área dos serviços e tem vindo a aumentar o seu consumo na área residencial. É um tipo de carga térmica ideal para controlar e aplicar o DSM activo.
São exemplos de locais com ar condicionado de elevadas potências (centenas a milhares de kW): - Centros comerciais; - Hospitais; - Aeroportos; - Cinemas; - Complexos de escritórios.
A escolha do controlo deste sistema é o ideal, pois constituem uma carga significativa da rede, locais com grandes volumes de ar são menos afectados pelo desligar de parte ou a totalidade do ar condicionado e normalmente, nos locais em cima mencionados, existem profissionais responsáveis pela sua manutenção e operação, sendo mais fácil conversar sobre as vantagens do DSM activo o que facilita a integração da empresa no projecto [23].
O funcionamento de todos os ares condicionados baseia-se no mesmo princípio e possuem basicamente sempre os mesmos componentes, um compressor, uma válvula de expansão, um condensador, um evaporador, dois ventiladores e uma unidade de controlo. É um processo em todo semelhante ao funcionamento de um frigorífico. Existe um gás refrigerante que circula no sistema, esse gás é comprimido pelo compressor, possuindo agora uma temperatura e pressão elevadas. Esse gás quente passa por uma serpentina, para aumentar a área de contacto com o ar exterior, perdendo energia na forma de calor, passando ao estado líquido. O líquido escoa pela válvula de expansão tornando-se um gás frio de baixa pressão. É esse gás frio que retira calor ao ar arrefecendo-o. O ciclo repete-se até a temperatura dentro do edifício ser a pretendida.
Podemos separar o lado quente do lado frio, colocando o lado quente no telhado de um edifício, reduzindo assim o ruído no interior (ar condicionado do tipo split), ou podemos usar o lado frio para arrefecer água em vez de directamente o ambiente, para resolver o problema do tamanho das condutas (ar condicionado do tipo chiller), mas o funcionamento básico do sistema é sempre o mesmo.
De seguida é mostrada uma figura com os componentes básicos de um ar condicionado e as trocas de calor efectuadas.
12 Estado de Arte
12
Figura 2.2 - Componentes e funcionamento de um ar condicionado (adaptado de [39]).
O grande consumidor de energia num ar condicionado é o compressor. A sua carga depende essencialmente da temperatura externa por dois motivos. Primeiro, quanto mais elevada a temperatura externa maior é o binário requisitado ao compressor, segundo, quanto maior a temperatura exterior mais tempo o ar condicionado vai ter que funcionar para remover o ar quente [18]. Os ventiladores pouca energia consomem, por isso, em vários artigos é recomendado que se desligue apenas o compressor, deixando ligado os ventiladores. Esta medida ajuda a manter a temperatura no interior do edifício estável por mais tempo [19]. No exemplo dado em ―Estimating Air Conditioning Load Control Effectiveness Using An
Engineering Model‖ [20], para um ar condicionado com uma capacidade de 46,000 BTU/h,
possuindo uma ventoinha interna com potência de 580W, ventoinha externa com uma potência de 340W e um compressor com uma potência de 5,010W, podemos observar os seguintes consumos com comportamento linear do compressor dependendo da temperatura externa e da humidade.
13
Figura 2.3 - Consumo do compressor de um ar condicionado a variar com a temperatura externa e a humidade (retirado de [20]).
Podemos observar que o compressor é o componente que apresenta o maior consumo no ar condicionado como mencionado anteriormente e que o seu consumo aumenta com o aumento da temperatura exterior e com o aumento da humidade (Wet Bulb).
Numa entrevista do Jornal ―Publico‖ ao Director do Gestor de Sistemas da REN, Amarante Santos, indicou que o consumo por parte dos ares condicionados tem vindo a subir rapidamente. No verão de 2010 o pico de consumo eléctrico foi de 7.9GW enquanto em 2009 o valor havia sido de 7.3GW. Se esta subida se deu por parte de novos ares condicionados, foi um aumento na carga de pico de 600MW, sendo uma potência bastante significativa.
Neste tipo de carga aparece recorrentemente o termo BTU (British Thermal Unit), este termo nada mais é que uma unidade de energia. É definida como sendo a energia necessária para aquecer 1 libra de água (0.454kg) em 1ºF (0.556ºC) a uma pressão constante de uma atmosfera. Esta medida tem sido mais utilizada que a unidade do Sistema Internacional, Joule. 1 BTU corresponde aproximadamente a 1.055kJ ou a 0.293071Wh.
Aparece também o termo EER (Energy Efficiency Ratio), que se traduz na capacidade do ar condicionado, em BTU, dividida pelo seu consumo. Quanto maior for o EER mais eficiente será o ar condicionado, ou seja, irá precisar de menos energia para produzir os mesmos BTUs que uma máquina com EER inferior.
No artigo ―Predicting Air Conditioner Load Curves From Energy Audit Data: A Comparison
Of Predicted And Actual Air Conditioning Data From The Athens Load Control Experiment‖ os
autores criaram um método que consegue prever com bastante exactidão, os ciclos de consumo de um ar condicionado, baseado em alguns dados do edifício em estudo [16]. O método consiste em 6 passos para se conseguir calcular o factor de carga.
1º: com base na auditoria ao edifício identifica-se: a capacidade térmica (BTU/h) do equipamento (Abtu), a carga de arrefecimento em BTU/h por grau Fahrenheit (Cload) e a temperatura a que está definida o termóstato em Fahrenheit (Tset).
2º: calcula-se o coeficiente do factor de carga
.
14 Estado de Arte
14
4º: assume-se para o cálculo da diferença da temperatura, que a temperatura no interior do edifício é a temperatura definida no termóstato.
5º: Determina-se
6º: Por fim calcula-se o factor de carga
Esta simples metodologia consegue obter bons valores de previsão para o factor de carga de ares condicionados, necessitando de poucos dados. Este poderia ser um bom método para determinar o funcionamento deste tipo de carga.
É importante caracterizar a carga quanto ao tempo que esta pode ser desligada, e subsequente tempo mínimo que terá de voltar a ficar ligada, evitando sempre ao máximo o efeito ―payback‖. Este efeito traduz-se num aumento da potência solicitada pelo compressor, após o tempo em que esteve desligado, pois a temperatura do líquido refrigerante do ar condicionado vai aumentar, e a temperatura ambiente no interior do edifício também vai aumentar, obrigando o ar condicionado a funcionar mais tempo para retirar a energia no estado de calor do interior do edifício. Este efeito ―payback‖ pode acarretar picos na procura elevados, podendo piorar a situação da rede, em vez de resolver problemas de sobrecarga nos ramos da rede eléctrica.
Figura 2.4 – Exemplo do efeito ‖payback‖. Ar condicionado desligado durante 15min e ligado 45min (adaptado de [21]).
Existe uma norma de conforto térmico que nos ajuda a definir quais as condições ideais dentro de um edifício, essa norma chama-se ANSI/ASHRAE 55. Esta norma indica que as condições térmicas ideais num edifício dependem de vários factores, mas concentrar-se apenas nos dois mais importantes, a temperatura do ar e a humidade, que devem de ser cerca de 24ºC e de 50% humidade relativa. Tentou-se, ao controlar a carga, não se afastar muito destes valores.
15
Um consumidor doméstico deve de possuir um aparelho em média de 2500W para refrigerar por exemplo a sua sala. Industrias e comércios, dependendo do espaço a refrigerar, poderão possuir potências na casa das centenas até aos milhares de kW.
2.2.2 - Bomba de Calor
As bombas de calor são aparelhos em rápida expansão. Estes aparelhos não são mais do que um simples ar condicionado, mas com o ciclo invertido, ou seja, retira o calor do exterior e bombeia-o para o interior do edifício, aquecendo-o. Hoje em dia, as bombas de calor também funcionam como ar condicionado, bastando para isso acrescentar uma válvula que inverte o sentido de funcionamento, passando assim o evaporador a condensador e vice-versa. Estes dispositivos têm uma eficiência energética muito elevada comparativamente com as tecnologias convencionais de aquecimento. As tecnologias convencionais normalmente utilizam uma unidade de energia para produzir uma unidade de calor, com uma bomba de calor é possível com uma unidade de energia produzir de 3 a 5 unidades de calor. Isto porque o calor não é gerado, apenas é retirado do meio ambiente e bombeado para o interior da habitação a aquecer. Deste modo a única energia eléctrica gasta é aquela necessária ao transporte da energia do meio ambiente para o interior do edifício, dai a designação de bomba de calor.
Figura 2.5 – Transferência de energia numa bomba de calor (adaptado de [40]).
Como mostra a figura 2.5, a bomba de calor (aparelho representado no centro da figura), para uma unidade de energia (1/4 kW), consegue colocar 3 unidades de energia (3/4 kW), na forma de calor, no interior da habitação. Essa energia calorífica deriva da temperatura do meio ambiente. Apesar da energia total deste sistema ser de 4 unidades (4/4 kW), apenas
16 Estado de Arte
16
uma unidade foi gasta em energia eléctrica, sendo que as restantes três unidades de energia foram retiradas do meio ambiente.
Esta tecnologia funciona com um rendimento aceitável com temperaturas até os 5ºC, para temperaturas de -18ºC o rendimento torna-se igual a uma fonte convencional de energia, ou seja, uma unidade de energia produz uma unidade de calor.
Existe a possibilidade de retirar a energia necessária directamente do ar ou do subsolo (geotérmicas), através da instalação de canalização com água ou com um líquido com grande capacidade de troca de calor. As bombas de calor que retiram a energia do subsolo possuem um investimento inicial mais elevado, mas são mais eficientes, pois a 1m de profundidade a temperatura do solo é de cerca de 15ºC todo o ano, assim, no inverno a temperatura no solo é superior à do ar, facilitando a troca de energia, no verão uma temperatura de 15ºC é inferior à do ar, facilitando da mesma maneira as trocas de energia e aumentando a eficiência de funcionamento. As bombas de calor amortizam rapidamente o investimento feito, pois comparativamente com os sistemas convencionais de aquecimento, estas necessitam de muito menos energia para produzir a mesma quantidade de calor, com o aumento do preço dos combustíveis fósseis, este factor vai ser cada vez mais importante para a sociedade, sendo previsível um aumento da procura destes aparelhos nos próximos anos. Em Portugal a temperatura no Inverno raramente desce dos 5ºC, com algumas excepções, assim a utilização de bombas de calor que retirem a energia do meio ambiente é suficiente. Nos locais em que a temperatura baixa dos 5ºC é vantajoso a instalação de uma canalização no subsolo. A implementação desta tecnologia em grande escala é uma mais-valia, pois é mais eficiente que as fontes convencionais de aquecimento que utilizam energias fósseis como o gás natural, gasóleo e o carvão.
Como possui um funcionamento igual ao de um ar condicionado, a potência disponível para controlo, o tempo possível de corte e a frequência de corte da carga é o mesmo que um ar condicionado explicado anteriormente.
2.2.3 - Veículos Eléctricos
A Resolução do Conselho de Ministros nº29/2010 traz a proposta do governo para que Portugal se torne líder na revolução energética. De entre outros aspectos destaca-se o termo da alínea g) do artigo 199.º da Constituição, em que no ponto 13 o Conselho de Ministros resolve: ―Criar condições para a introdução e massificação da utilização do veículo eléctrico a nível nacional, posicionando Portugal como país de referência ao nível do teste, desenvolvimento e produção de soluções de mobilidade eléctrica.‖. Com a substituição dos veículos com motor de combustão interna por veículos movidos por motores eléctricos e que não dependem directamente da energia proveniente dos combustíveis fosseis a nossa independência energética vai aumentar, a eficiência dos motores eléctricos também vão contribuir para uma redução da energia total necessária ao transporte. Uma previsão realista
17
indica uma penetração de 2% em 2020, cerca de 150mil veículos. O estado vai criar, através do programa Mobi.E, a promoção do veículo eléctrico e vai criar uma rede de carregamento nacional, para dar ao utilizador uma maior flexibilidade no carregamento do seu veículo. Para além dos benefícios relativos à eficiência energética e à independência energética, os veículos eléctricos vão produzir outros efeitos na indústria (desenvolvimento de baterias com cada vez mais tempo de vida, carregamentos mais rápidos, maior energia armazenada em menor espaço e com menor peso) e nas infra-estruturas energéticas. Vai pois ser necessário desenvolver um sistema inteligente de regulação das cargas. As baterias vão funcionar também como sistemas de armazenamento de energia, podendo depois o proprietário vender a energia a preços mais elevados do que aqueles a que a comprou. Mas no âmbito deste trabalho analisou-se o veículo eléctrico apenas como carga para o sistema.
A introdução dos veículos eléctricos vai acarretar uma grande revolução no sistema eléctrico, e vai obrigatoriamente alterar o diagrama de carga tradicional. É esperado que um utilizador típico chegue a casa após o trabalho e coloque o seu veículo a carregar, este só precisa de estar carregado na manhã seguinte, para o utilizador se deslocar novamente para o seu emprego. Considerou-se como período mais provável para este tipo de carga estar ligado o intervalo entre as 19h e as 8h do dia seguinte. O tempo de carga será aproximadamente de 8h, para baixa tensão. A bateria armazena 24kWh e requer uma potência máxima de carregamento de 3.3kW.
Figura 2.6 – Posto de carregamento de um veículo eléctrico (retirado de [41]).
2.2.4 - Produtos Brancos
Produtos brancos, ou na língua anglo-saxónica white goods, referem-se a electrodomésticos como a máquina de lavar louça, máquina de lavar roupa, máquina de secar
18 Estado de Arte
18
roupa, termoacumuladores, etc. Estes aparelhos, dependendo dos hábitos e da composição familiar, são responsáveis por cerca de 15% do consumo eléctrico de uma habitação.
A análise que a seguir se apresenta foi elaborada com base na referência [33]. Os dados estão ultrapassados, mas na sua maioria são úteis, para retirar padrões de consumo, que não se alteraram tão significativamente. As estatísticas elaboradas baseiam-se na monitorização de 150 unidades de alojamento. Para se fazer um estudo correcto da situação de penetração das máquinas em estudo e do seu consumo iria ser necessário fazer inquéritos a nível nacional sobre padrões de utilização de equipamentos e efectuar testes sobre uma máquina representativa de cada função, como tal não é possível, tentou-se explorar a informação disponível para assim obter diagramas para estes tipos de consumo.
O diagrama de carga do dia 11-01-10 é exposto para se efectuar a comparação, relativamente às horas de procura, com o consumo agregado dos diferentes electrodomésticos. Este foi o dia de maior consumo no mês de Janeiro.
Figura 2.7 – Diagrama de carga nacional do dia 11-01-10 (retirado do centro de informação da REN).
A máquina de lavar roupa representa cerca de 5% do consumo de uma habitação, e tem uma penetração da ordem dos 90%. A máquina consome principalmente energia no aquecimento de água (80% a 90%), a restante percentagem é gasta em acções mecânicas (rotação do tambor, bombas de circulação de água). Existem equipamentos que permitem o abastecimento da água aquecida a outras fontes (painéis solares por exemplo), mas não estão muito difundidos no nosso país. Para demonstrar a influência da temperatura da água de lavagem de seguida é apresentado um gráfico com os consumos para uma temperatura de 30ºC e para 60ºC.
19
Figura 2.8– Consumo da máquina de lavar roupa num ciclo em 30°C e em 60°C (retirado de [33]).
Como podemos observar é notório o aumento no consumo de energia a 60ºC. Um ciclo a 60ºC necessita de cerca de 1kWh, enquanto um ciclo a 30ºC necessita de metade 0.5kWh. a tecnologia de detergentes que permitem uma melhor lavagem a menores temperaturas tem ajudado à eficiência energética. Neste tipo de sistema não é vantajoso interromper o ciclo de lavagem a meio, pois o sistema possui pouca inércia e a água irá arrefecer rapidamente, obrigando a um repetição do gasto de energia para voltar a aquecer.
De seguida é apresentado um diagrama de carga agrupado para as máquinas de lavar roupa.
Figura 2.9 – Diagrama de carga para máquinas de lavar roupa em 1997 (retirado de [33]).
As potências actualmente são superiores ao mostrado na figura, mas é interessante reparar que os momentos de maior procura, são próximos do momento de ponta, e que durante a madrugada quase não existe procura. Este tipo de carga é ideal para ser submetida a DSM activo e passar carga para o período de vazio, assim poderia fazer o seu ciclo de noite,
20 Estado de Arte
20
a um preço mais acessível e de manhã teria a roupa lavada, sem prejuízo para o conforto do utilizador.
A máquina de secar roupa apresenta uma baixa penetração no mercado nacional, cerca de 13%, mas apresenta uma tendência de aumento. Existem no mercado duas tecnologias, por condensação, este tipo de máquina condensa a humidade do ar proveniente da secagem da roupa para um recipiente, sendo depois necessário esvaziar a água desse recipiente, não é necessária nenhuma ligação ao exterior mas é necessário esvaziar o recipiente de tempos a tempos, são as que apresentam a maior eficiência energética, o outro tipo é por exaustão, esta tecnologia retira a humidade da roupa através do processo de secagem, é necessária uma ligação ao exterior para que a humidade proveniente da secagem da roupa não deteriore as condições de qualidade de ar dentro da habitação. Este tipo de máquina como funciona através do aquecimento do ar por meio de uma resistência consome bastante energia. De seguida é mostrada o consumo de uma máquina de secar roupa por exaustão.
Figura 2.10– Consumo da máquina de secar roupa do tipo exaustão (retirado de [33]).
Pode-se observar um elevado consumo por um elevado período de tempo, estas máquinas são grandes consumidoras de energia. O consumo por ciclo de secagem é de aproximadamente 2.5kWh. Por funcionarem com base no aquecimento do ar também não é vantajoso controlar a carga a meio de um ciclo de funcionamento.
Pode-se observar o diagrama de carga agrupado para as máquinas de secar roupa no gráfico seguinte.
21
Figura 2.11– Diagrama de carga para máquinas de secar roupa de 1997 (retirado de [33]).
Como aconteceu no caso das máquinas de lavar roupa, o nível de potência não é muito relevante, mas sim o período em que é ligada a máquina e existe assim maior procura de electricidade. Pode-se observar um pico por volta das 16h, que corresponde à altura em que as máquinas de lavar roupa começam a desligar, ou seja, a máquina de secar funciona após o funcionamento da máquina de lavar roupa. Hoje em dia, estão a ser adoptadas cada vez mais as máquinas que lavam e secam a roupa num só aparelho. Estes aparelhos têm a facilidade de passar o seu consumo para as horas de vazio, pois não é confortável o cliente ter que retirar a roupa da máquina de lavar nas horas de vazio para ter que a passar para a máquina de secar. Estas novas máquinas eliminam esse problema, embora a sua eficiência possa ser inferior a possibilidade de passar ambas as cargas para as horas de vazio é uma clara vantagem.
Máquinas de lavar louça apresentam uma penetração de mercado de cerca de 30% mas com uma tendência elevada de aumento. O seu consumo consiste basicamente no aquecimento de água e na secagem da louça. A junção destes dois processos é responsável por cerca de 80% de todo o consumo de um ciclo de lavagem. Existe a possibilidade de algumas máquinas serem fornecidas com água quente, mas esse tipo de máquina não tem uma grande divulgação e não está difundida no mercado nacional.
22 Estado de Arte
22
Figura 2.12 – Consumo da máquina de lavar louça (retirado de [33]).
Pode-se observar dois picos de consumos, correspondentes ao momento de aquecimento da água e posteriormente ao momento da secagem da louça. São máquinas com um pico de consumo muito elevado, o que é problemático para a rede de distribuição. Um ciclo de funcionamento consome cerca de 1kWh.
Figura 2.13– Diagrama de carga para máquinas de lavar louça de 1997 (retirado de [33]).
Pode-se observar no diagrama de cargas agregado um aumento na procura após as refeições, começando com o pequeno-almoço, pelas 11h, depois outro pico entre as 15h e as 16h correspondente à louça usada ao almoço e o grande pico às 23h, ou seja, após o jantar. O maior pico desta carga já se encontra fora do pico da carga nacional, mas seria vantajoso conseguir passar esse pico para as horas de vazio da noite, onde o consumo é muito baixo e não iria reduzir o conforto do consumidor, pois de manhã a louça estaria lavada e pronta a ser de novo utilizada.
23
Os termoacumuladores também são dispositivos possíveis para controlo. Normalmente só é necessária água quente no inicio da manhã, e ao fim da tarde, podendo ser desligado o aquecimento durante uma hora e meia. O excelente isolamento dos termoacumuladores permite que estes mantenham a água no seu interior a uma temperatura elevada, mesmo com o elemento resistivo desligado. O reaquecimento é feito normalmente num tempo de 2h para termoacumuladores com capacidade para 80L e uma potência de 1500W, o normal numa habitação com um agregado familiar de 4 pessoas. Este reaquecimento vai causar um aumento na procura durante um tempo mais prolongado, mas estendendo-se este consumo no tempo é possível evitar problemas de picos de procura.
O controlo de cargas de fogões, iluminação, frigoríficos, já não é tão interessante, pois o cliente não vai querer abdicar desse conforto, nem vai querer correr o risco de por exemplo o frigorifico ficar desligado demasiado tempo, estragando os alimentos que continha. Para este tipo de carga o que o DSM pode fazer é aconselhar a substituição dos aparelhos existentes por uns mais eficientes, poupando assim energia ao cliente e aliviando pressão na rede de distribuição de electricidade.
A análise de todos estes tipos de carga leva à conclusão que não é possível implementar apenas um tipo de controlo, pois cargas diferentes possuem diferentes condições e características de operação, têm que ser tratadas individualmente.
2.3 - Comunicação
Para um óptimo funcionamento e implementação do DSM activo é fundamental uma rede de comunicações fiável e capaz de lidar com a quantidade de dados necessária ao controlo das diversas cargas. Ainda não existe nenhuma solução definitiva no mercado, mas várias propostas surgem, desde comunicação através da rede eléctrica, até ligações LAN ou wireless LAN. Cada uma destas propostas traz vantagens e desvantagens que têm que ser analisadas. Os fabricantes de electrodomésticos começam também a estudar a implementação, nos seus aparelhos, da capacidade de comunicar com a rede, através de casas ligadas ao sistema de informação da rede eléctrica. Esta informação será vital, pois cada carga possui um comportamento diferente, dependendo por exemplo, da potência do aparelho, do tipo de isolamento para conservar energia, etc., e é fundamental que o sistema de controlo da rede saiba qual o comportamento da carga para saber a sua elegibilidade para ser submetido naquela altura a controlo.
É necessária a criação de um protocolo de comunicação uniforme para todos os fabricantes, para tornar esta ideia viável, é então de extrema importância a escolha de um sistema de comunicação capaz, seguro, flexível, de fácil implementação e com capacidade de escalamento na procura.
24 Estado de Arte
24
Uma hipótese para a tecnologia de comunicação a implementar é o PLC (Power Line
Communication), esta tecnologia utiliza a própria rede eléctrica para fazer a troca de dados
necessária. É uma opção económica a ter em conta, pois a rede de comunicação já existe, evitando assim obras com a instalação de novos condutores e o possível redesenho da habitação. Qualquer aparelho ligado à rede eléctrica irá poder assim transmitir informação, e estar ligado à rede de comunicação. O princípio básico de funcionamento do PLC é a transmissão de dados a altas frequências (1 a 30MHz) não interferindo assim na frequência da rede (50Hz). Uma grande vantagem deste sistema, para além do aproveitamento de uma rede já existente, é possuir uma grande capacidade de transmissão de dados, 200Mbps, o que será fundamental para a troca de grandes quantidades de dados necessárias ao DSM activo. As desvantagens prendem-se com interferências e ruído a que a rede eléctrica está sujeita, podendo atenuar o sinal de comunicação. Existem, hoje em dia, soluções técnicas que ultrapassam esse obstáculo, tornando a troca de informação fiável, rápida e segura. Em Itália optou-se pela utilização deste sistema de comunicação, em que os dados são transmitidos em baixa tensão até concentradores de dados, posteriormente são enviados por IP (Internet
Protocol) para os servidores do operador da rede.
No artigo ―KNIVES: A Distributed Demand Side Management System‖ os autores propõe a seguinte estrutura de comunicação:
25
Esta estrutura de servidores em forma de árvore permite reduzir o trânsito de informação, minimizando assim as hipóteses de congestionamento da rede de dados, permitindo também uma partilha eficiente de dados, sendo fácil fazer o escalamento do sistema.
A tecnologia wireless ZigBee é também utilizada para fazer a comunicação entre os aparelhos da habitação. A instalação wireless é muito mais fácil de aplicar em instalações já existentes, não sendo necessário passar qualquer tipo de cabo. Em instalações novas o uso de um cabo LAN é aconselhado, pois poupa energia e torna o sistema mais fiável.
A troca de dados será do tipo:
Figura 2.15– Possível troca de informação entre o operador e o participante no DSM activo.
O contador inteligente recebe as informações, e através de uma ligação wireless ao computador pessoal do consumidor transmite, através de um interface simples, todos os dados necessários. Este seria um possível método para a troca de dados e de informação.
Do sentido do Operador para o Consumidor as informações a passar serão:
- Restrições Ambientais: traduzem os limites, por exemplo, da quantidade de emissões de CO2, ou de qualidade do ar;
- Energias Alternativas: fornece ao consumidor informações sobre energias alternativas que este pode usar em alternativa à energia eléctrica, como o preço do gás natural ou outro tipo de combustível;
- Condições de Sistema e de Mercado: o consumidor pode planear melhor as suas acções e as respostas às solicitações da rede baseado em previsões de procura ou situações de contingência que possam vir a ocorrer, também recebe o preço por kWh para as próximas horas, podendo assim fazer a opção economicamente mais rentável;
26 Estado de Arte
26
- Comprometimento de Recursos Concedidos: as notificações ao consumidor estão nesta via de comunicação, é através deste sinal que o participante sabe se a sua proposta de redução de carga foi aceite, o sinal recebido pode ser uma ordem para desligar carga, ou um calendário a cumprir nas próximas horas de compromisso para desligar carga.
O Operador também precisa de informações sobre o Participante para poder prever a solicitação de carga para as próximas horas, as informações necessárias são:
- Oferta do Consumidor: aqui o consumidor envia ao operador a disponibilidade de cargas que oferece para controlo;
- Disponibilidade dos Recursos: traduz a quantidade de kW disponíveis para controlo; - Capacidade dos Recursos: traduz a velocidade com que a carga pode ser desligada, características da carga e o tempo que a carga pode estar desligada.
Se for possível a troca de toda esta informação o DSM activo pode ser aplicado com grande precisão e com um impacto máximo nas redes de distribuição. Um dos equipamentos que vai ser fundamental na implementação e sucesso do sistema de comunicação é o contador inteligente.
2.4 - Smart Metering
Não podemos falar de controlo eficiente das cargas sem falarmos de Smart Meters (contadores inteligente). São eles que vão fornecer informação sobre o estado da carga e é através deles que o consumidor vai ter acesso a informação dos preços de energia no mercado.
Mesmo sem aplicar qualquer medida de controlo directo da carga, apenas com indicadores económicos, e conseguindo o cliente conhecer o seu diagrama de carga, consegue identificar quais as cargas que estão a consumir no horário de ponta, ou consumos anómalos ou evitáveis, podendo alcançar uma redução da sua factura mensal. Não se consegue controlar o que não se mede, é portanto essencial a implementação deste tipo de dispositivos para a redução do consumo.
Os contadores inteligentes vão ser uma peça fundamental para o sucesso da implementação e funcionamento das estratégias de controlo da carga.
Têm que conseguir transmitir automaticamente informação sobre o consumo, de uma forma simples, rápida e eficiente, assegurando a segurança dos dados transmitidos.
A maior implementação de contadores inteligentes deu-se em Itália, onde a empresa Enel SpA instalou mais de 27 milhões de contadores inteligentes, entre 2000 e 2005, instalando-os em todos os seus clientes. Estes contadores são completamente electrónicos e inteligentes, permitindo comunicações nos dois sentidos. O sistema possui funcionalidades avançadas, como desligar remotamente o consumidor da rede eléctrica, ler o consumo, detectar uma avaria no fornecimento de energia, detectar um uso indevido de energia, mudança de
27
tarifário e potência contratada. A comunicação é feita através do próprio cabo eléctrico em baixa tensão (PLC) até concentradores de dados que comunicam via IP para servidores.
Neste momento decorre um projecto-piloto na Alemanha, cidade de Mulheim (1 Julho 2008 até 31 Dezembro 2011) para a instalação de mais de 100,000 contadores inteligentes. Vão ser experimentadas várias tecnologias para a comunicação (PLC, GPRS, rádio). Vários outros países como a Irlanda, França, Malta, Reino Unido também estão a dar os primeiros passos em projectos-piloto para a implementação a grande escala dos contadores inteligentes.
Os contadores inteligentes vão possibilitar uma maior integração do consumidor no mercado energético. Com estes é possível a implementação de tarifários com preços em tempo real, a mudar a todas as horas, traduzindo assim o real valor da energia naquela hora específica. Os consumidores devem de receber a informação dos preços atempadamente para poderem fazer a opção mais económica.
Um projecto-piloto da EDP chamado ―InovCity‖ [30] está a implementar os primeiros contadores inteligentes em Portugal na cidade de Évora, denominados no projecto de ―Energy
Box‖. Este contador inteligente vai permitir ao consumir conhecer o seu consumo de 15 em
15 minutos, podendo depois analisar quais são as horas de maior consumo, e caso aconteçam em horas de ponta podem deslocar essa carga para uma altura economicamente mais propícia. É possível implementar vários tarifários horários com este tipo de contadores, e se o cliente pretender mudar de tarifário é possível faze-lo remotamente.
Outra vantagem possível com contadores inteligentes e com a tarifa horária é a escolha do momento para ligar uma carga que pode ser deslocada no tempo. Possuindo a informação do preço da energia hora a hora é possível gerir de forma inteligente a carga, para que esta apenas comece o seu ciclo quando o preço da energia for o mais barato no dia. São exemplos destas possíveis cargas: máquinas de lavar louça, máquinas de lavar roupa, máquinas de secar roupa, e num futuro próximo a carga de veículos eléctricos ou híbridos.
2.5 - Carga Residual
Com o aparecimento da produção dispersa surge o conceito de carga residual. A carga residual corresponde ao diagrama de carga que tem que ser abastecido pela rede convencional, depois de a carga ser parcialmente abastecida com as fontes da produção dispersa. A figura seguinte ajuda a ilustrar este conceito.
28 Estado de Arte
28
Figura 2.16 – Diagrama de carga representando o conceito de carga residual.
Como podemos observar, numa hipotética rede existe um certo consumo (a azul). Nessa rede existe produção dispersa local correspondente aos valores da linha vermelha. A carga residual é a subtracção da produção dispersa local à carga inicial, que pode ser vista na linha a verde.
Podemos observar a utilidade da geração dispersa na rede, que evita a transmissão de alguns MW pela rede convencional, minimizando trânsitos de potência, que poderiam sobrecarregar os transformadores ou linhas, assim como reduz as perdas de transporte de energia.
Imaginemos agora um limite no trânsito de potência imposto pelos transformadores existentes de 30MW. Mesmo com a existência da produção dispersa e devido à sua imprevisibilidade existe um período de tempo, das 20h15 às 23h15, em que este limite é quebrado não havendo solução possível a não ser a aquisição de mais um transformador, fazendo o reforço da rede. Outra opção mais viável seria a aplicação de DSM activo naquele período de tempo. O gráfico seguinte demonstra melhor a situação.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Pot ê n ci a (M W) Tempo (h) Carga Total Produção dispersa Carga Residual
29
Figura 2.17 – Diagrama de carga representando a carga residual com a implementação de DSM activo.
Como se pode observar, através do DSM activo consegue-se reduzir a carga para níveis seguros de potência, evitando o investimento e o reforço da rede. Os consumidores que participarem no DSM activo terão de ser remunerados, pois estão a prestar um serviço ao operador da rede.
2.6 - Avaliação da Flexibilidade de Carga
Vai ser necessário criar algum tipo de parâmetro para que seja possível a comparação entre o controlo dos diferentes tipos de carga. As cargas apresentam potências diferentes, disponibilidades diferentes, tempos de corte diferentes, e comportamentos diferentes pelo que é necessário criar um parâmetro que possa avaliar todo o tipo de cargas, até para uma futura referência na sua remuneração.
No futuro, com a presença em grande escala da geração dispersa, o diagrama de carga vai ser mais imprevisível, com a produção das energias renováveis o diagrama vai depender fortemente das condições climatéricas, podendo assim o horário de ponta da carga residual variar de dia para dia. Assim, não se pode criar uma tarifa com uma base horária fixa, pois o horário da ponta será variável de dia para dia. Será mais vantajoso remunerar este serviço baseado no diagrama de carga residual, deste modo, apenas nas alturas em que a aplicação do DSM activo é fundamental é efectuada a remuneração ao cliente, embora possa ser remunerado pela disponibilidade de carga para controlo. Fora das horas em que é necessário aplicar o DSM activo o fornecedor pretende vender a sua energia, assim como o cliente quer
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Pot ê n ci a (M W) Tempo (h) Carga Total Produção dispersa Carga Residual + DSM Limite
