BRUNO FILIPPE ESPINDOLA LUCIANO PEDRO DEMORO
SMART GRID
OS PRIMEIROS PASSOS PARA IMPLANTAÇÃO DO CONCEITO NO BRASIL
Palhoça 2012
LUCIANO PEDRO DEMORO
SMART GRID
OS PRIMEIROS PASSOS PARA IMPLANTAÇÃO DO CONCEITO NO BRASIL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Profº. Roberto Francisco Coelho, M. Eng.
Palhoça 2012
SMART GRID
OS PRIMEIROS PASSOS PARA IMPLANTAÇÃO DO CONCEITO NO BRASIL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina.
Palhoça, 04 de julho de 2012.
______________________________________________________ Profº. Orientador Roberto Francisco Coelho, M.Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________ Profa. Sheila Santisi Travessa, M.Eng.
Dedico este trabalho as pessoas que estiveram diariamente ao meu lado, me transmitindo determinação e alegria nos momentos de angustia. Aos meus pais Anisio e Zélia, meus irmãos e amigos. Sem vocês eu não seria nada. (Bruno Filippe Espindola)
Dedico este trabalho aos meus pais Edson e Isaura. (Luciano Pedro Demoro)
Bruno agradece a:
Aos meus pais Anisio e Zélia pela confiança, dedicação e sobretudo pelos momentos de preocupação durante estes cinco anos de caminhada.
Aos meus irmãos e cunhadas, pelas vezes em que precisei de ajuda e sempre estiveram dispostos a me ajudar.
A todos os amigos de sala de aula que estiveram presentes durante este importante período de minha vida e que, além de companheiros de jornada, tornaram-se grandes amigos. Vocês estarão sempre presentes em meus pensamentos e nas lembranças destes anos que acabaram se tornando os melhores de minha vida.
Aos meus amigos que tiveram que por muitas vezes aguentar minhas reclamações nos momentos de dificuldade, sempre com uma palavra de carinho, conforto e gestos que me fizeram continuar firme na jornada; também pelos momentos em que estive ausente, ocasiões em que o estudo era necessário, que foram muitos, principalmente nessa reta final. Pessoas que certamente são muito especiais em minha vida.
Ao nosso orientador professor Roberto Coelho que nos apoiou e nos ajudou muito durante a realização do projeto. Sem sua ajuda nosso trabalho seria ainda mais complicado.
E finalmente, agradeço a todos que me ajudaram direta ou indiretamente para o desenvolvimento deste projeto. Um MUITO OBRIGADO a todos vocês!
Luciano agradece a:
Desejo creditar algumas pessoas que participaram, colaboraram e incentivaram, direta ou indiretamente, e tornaram possível a realização dessa conquista.
Agradeço em especial, minha mãe Isaura Souza Demoro que com seu amor, me criou, me educou e me incentivou a estudar. Obrigado por me mostrar os caminhos certos e errados, que contribuíram na formação de meu caráter. Agradeço por todo amor, carinho, compreensão, mesmo em momentos difíceis, por estar ao meu lado, segurado minha mão, me dado colo e enxugado minhas lagrimas, me fazendo acreditar que posso ser sempre melhor. Obrigado por ser minha mãe.
Ao meu pai Edson Pedro Demoro, que mesmo ausente em momentos, sempre fez com que me sentisse uma pessoa especial e ser seu motivo de orgulho.
conquista, ofertando força e redobrando meus limites.
Agradeço muito, em especial, a Preta, que antes de tudo, uma grande amiga. Minha eterna amada! Todos os dias, agradeço por ter conhecido você. Agradeço por você ter mostrado que posso ser um vencedor, amar e ser amado. Muito obrigado por me mostrar, também, ou a ensinar a ver tudo o que eu tenho de bom, assim como os meus defeitos, me ajudando a ser uma pessoa cada vez melhor. Não tenho como agradecer tudo o que você fez por mim. Hoje meu mundo é um lugar melhor por ter encontrado você! Um X. IDEM!!!
Aos amigos, pessoas fundamentais a qualquer ser humano, sem eles tudo seria mais difícil.
Ao orientador, Professor Roberto Francisco Coelho, por estar sempre à disposição com muita vontade e invejável paciência e competência, conduziu ao caminho certo dessa conquista. Obrigado por ajudar neste momento difícil.
“Não posso conceber um cientista autêntico que não tenha uma fé profunda. Pode-se resumir a situação na seguinte imagem: sem a religião a ciência é manca; sem a ciência religião é cega”. (Albert Einstein)
A cada dia, novos equipamentos elétricos chegam às residências espalhadas ao redor do planeta, cujo acesso, em grande parte, somente foi viabilizado graças à expansão do sistema de geração e distribuição de energia elétrica. Cabe ressaltar que o modelo de concepção da distribuição de energia elétrica no Brasil está ultrapassado, mantendo-se baseada na geração concentrada, através de grandes usinas, aumentando, portanto, as probabilidades de um colapso do sistema. Embora no Brasil a maior parte da geração seja de fonte renovável, se faz necessário investir em geração distribuída, microgerações, localizadas próximas dos centros de consumo. A aplicação do conceito Smart Grid possibilitará a implantação da geração distribuída e ofertará à rede de distribuição de energia elétrica mais controle, planejamento, operação, além da bidirecionalidade permitindo ao consumidor fornecer energia ao sistema quando necessário. Este trabalho consiste em analisar os impactos do Smart Grid no sistema de distribuição de energia elétrica, a geração distribuída e alguns estudos de casos realizados no Brasil. O objetivo é analisar os impactos da tecnologia Smart Grid no sistema de distribuição de energia elétrica, as normas e legislações vigentes e a situação do Brasil no que diz respeito à tecnologia. Ainda, realizar um estudo de caso referente à condição atual e as perspectivas futuras de algumas concessionárias do Brasil, no caso a LIGHT S.A., COPEL, CEMIG e CELESC S/A quanto às redes inteligentes.
Palavras-chave: Rede Inteligente. Automação da Rede de Distribuição de Energia Elétrica. Microgeração. Geração Distribuida.
Currently, new electrical equipments reach the residences around the planet, whose access is only possible due to the expansion of the generation and distribution electrical system. It is important to emphasize that the Brazilian power system is out of date, remaining based on concentrated generation through large plants. Although in Brazil the electricity generation system is predominately composed by renewable sources, it is necessary to invest in distributed generation, located near the consumption centers. The Smart Grid concept will allow the implementation of distributed generation, improving the power system control, planning, operation and bidirectionality, thus, the consumer will be able to provide active power to the system, when needed. This work consists in to analyze how the Smart Grids may impact on the Brazilian power system as well as, the applicable standards and legislations and the current Brazil situation in front this new technology, where, in order to perform some real information, LIGHT S.A, COPEL, CEMIG and CELESC S.A , were explored.
Figura 1: Sistema de rede inteligente sem inclusão de novo dispositivo, com base nos trajetos
da energia e da comunicação de dados. ... 22
Figura 2: Sistema de rede inteligente com conexão automática a partir da inclusão de um novo componente. ... 23
Figura 3: Modelos de medidores eletrônicos. ... 26
Figura 4: Alimentador de um sistema radial. ... 28
Figura 5: Alimentador de um sistema em anel ... 28
Figura 6: Sistema elétrico de geração distribuída. ... 29
Figura 7: Forma genérica de uma PCH. ... 33
Figura 8: Capacidade instalada no mundo. ... 35
Figura 9: Componentes do aerogerador... 35
Figura 10: Célula, módulo e arranjo. ... 36
Figura 11: Média anual da radiação solar (Wh/m².dia). ... 37
Figura 12: Sistema Térmico de Geração de Energia. ... 38
Figura 13: Usina a Biomassa. ... 39
Figura 14: Geração de energia através da Biomassa. ... 39
Figura 15: Microturbinas a gás. ... 40
Figura 16: Esquema de um sistema micro turbina com vários veios ... 41
1 INTRODUÇÃO ... 13
1.1 JUSTIFICATIVA ... 16
1.2 OBJETIVO ... 16
1.2.1 Objetivo Geral ... 16
1.2.2 Objetivos Específicos ... 16
2 IMPACTOS DO SMART GRID NO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ... 18
2.1 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA ... 18
2.1.1 Função do Sistema Elétrico de Potência ... 18
2.1.2 Geração de energia elétrica ... 19
2.1.3 Linhas de Transmissão ... 19
2.1.4 Linhas de Subtransmissão ... 19
2.1.5 Linhas de Distribuição Primária ... 20
2.1.6 Linhas de Distribuição Secundárias ... 20
2.2 A FALTA DE AUTOMAÇÃO DO ATUAL SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ... 20
2.3 A INTELIGÊNCIA DO FUTURO SISTEMA ... 21
3 REDES INTELIGENTES: MEDIÇÃO, AUTOMAÇÃO E RECURSOS DISTRÍBUIDOS ... 26
3.1 MEDIÇÃO BIDIRECIONAL AVANÇADA ... 26
3.2 AUTOMAÇÃO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO ... 27
3.3 RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUÍDOS ... 29
3.4 Normas referentes à micro e minigeração distribuídas ... 31
3.4.1 Principais Unidades de Microgeração ... 32
3.4.1.1 Pequena Central Hidrelétrica (PCH) ... 33
3.4.1.2 Geradores eólicos ... 34
3.4.1.3 Energia solar fotovoltaica ... 36
3.4.1.4 Usina a biomassa ... 38
3.4.1.5 Microturbina a Gás ... 39
3.4.1.6 Veículos Elétricos... 42
3.4.1.6.1 Tipos de veículos elétricos ... 42
3.4.1.6.1.1 A Bateria ... 42
3.4.1.6.1.2 Híbrido ... 43
3.4.1.6.1.3 Célula a Combustível ... 43
3.4.1.6.1.4 Veículo ligado à rede ... 43
3.4.1.6.1.5 Veículo solar ... 43
4.1 LIGHT S.A. ... 45
4.1.1 Projeto para plataforma Smart Grid ... 45
4.1.2 Projeto para gestão otimizada da rede de distribuição subterrânea ... 45
4.1.3 Projeto de gestão otimizada da rede de distribuição aérea ... 46
4.1.4 Projeto para a gestão energética pelo lado da demanda ... 46
4.1.5 Projeto de gestão de fontes renováveis ... 46
4.2 COPEL ... 46
4.3 CEMIG ... 47
4.3.1 Projeto Conviver ... 48
4.3.2 Projeto Cidades do Futuro ... 49
4.4 O CENÁRIO ATUAL DA CELESC ... 49
4.4.1 Sistema automatizado de medição ... 50
4.4.2 Sistema de chaves seccionadoras tripolares com controle remoto ... 51
5 CONCLUSÃO ... 53
Diferentemente das redes de telecomunicações, que apresentaram grande evolução na última década, as redes de distribuição de energia elétrica possuem praticamente a mesma arquitetura e características desde seu surgimento, datado de 1897. A partir de então, o sistema de geração e transmissão de energia elétrica vem contribuindo significativamente para o aumento na produção, industrialização e desenvolvimento da sociedade, ditando padrões de consumo e servindo como indicador de crescimento econômico. (http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/historia-da-eletricidade-no-brasil/historia-da-eletri cidade -no-brasil-1.php)
A cada dia, novos equipamentos elétricos chegam às residências espalhadas ao redor do planeta, cujo acesso, em grande parte, somente foi viabilizado graças à expansão do sistema de geração e distribuição de energia elétrica. Há 50 anos a maioria das casas possuía apenas geladeiras e rádios, por exemplo, e em algumas exceções, um televisor e um chuveiro elétrico. Atualmente, a situação é bastante diferente, já que a maior parte dos lares, além destes equipamentos, possui muitos outros, impactando na melhoria da qualidade de vida do ser humano. (http://www.tecmundo.com.br/3008-smart-grid-a-rede-eletrica-inteligente.htm)
Apesar de todos estes aspectos, cabe ressaltar que o modelo de concepção da distribuição de energia elétrica no Brasil está ultrapassado, haja vista que ao longo de mais de cem anos sofreu pouca evolução, mantendo-se baseada na geração concentrada, através de grandes usinas hidroelétricas (em sua maioria), aumentando, portanto, as probabilidades de um colapso do sistema.
Além disto, existem outros problemas associados, não ao antigo modelo, mas ao uso do sistema: furtos, desperdícios na geração e na distribuição por falta de controles precisos do consumo, mau uso de recursos humanos e financeiros para realizar manobras e operação da rede de distribuição e, até mesmo, ineficiência na realização da leitura do consumo de energia elétrica nas unidades consumidoras, que são realizadas localmente.
As Smarts Grids (SG) ou Redes Inteligentes (RI) baseiam-se na inteligência, em redes automatizadas, na troca de informações entre rede, concessionária e consumidores, na aplicação do conceito de geração distribuída, microgeração, fluxo de energia bidirecional e reaproveitamento dos recursos humanos. A possibilidade de realizar as tarefas de leitura, operação, corte e religamento à distância, são os passos iniciais para a grande mudança que acontecerá nas redes de distribuição de energia elétrica com implantação de redes inteligentes,
a partir das quais se espera a solução de muitos problemas relacionados ao sistema atual, bem como maior controle por parte das empresas de distribuição e comercialização de energia elétrica sobre seus serviços e seus ativos.
Como produtos deste novo conceito, citam-se a redução nas perdas de transmissão, maior eficiência energética, identificação remota de falhas, reconfiguração automatizada do sistema, microgeração, geração distribuída, telemedição de energia elétrica, além da diminuição da emissão de CO2.
Tais fatores resultam em uma série de vantagens para as concessionárias de energia elétrica, destacando-se a elevação da eficiência energética, com redução do furto de energia, operação remota de componentes do sistema, tornando desnecessário o deslocamento de equipes para intervenções e, por fim, monitoramento remoto das condições dos componentes envolvidos na rede de distribuição de energia.
Outras funcionalidades importantes relacionadas a uma rede inteligente conduzem à possibilidade de tomada de decisão, incluindo a reconfiguração, onde o sistema é capaz de, sem nenhuma interferência humana, corrigir seus defeitos, evitando sua propagação por efeito cascata ao longo da rede, além de permitir o deslocamento do consumo de energia elétrica para horários de menor custo, ou seja, fora do horário de pico.
Segundo Ribeiro (2011, p. 4), em termos pouco técnicos, o Smart Grid inaugura a inteligência digital a um dos últimos resquícios da tecnologia analógica: o setor elétrico. Esta transformação estará amparada em três pilares básicos: o sensoriamento, com a função de captar as informações de rede, representado pelos Smart Meters, as telecomunicações, com a função de transmitir as informações capturadas, com uso de tecnologias que usam a própria rede elétrica para a transmissão de dados (Power Line Communications) ou com tecnologias de transmissão de dados desvencilhadas da rede elétrica (GSM, GPRS, UMTS, SMS, etc.), e, finalmente, o processamento, com função de interpretar as informações em trânsito e tomar decisões de forma independente.
Para a implantação e difusão desta nova tecnologia, o governo e as empresas de distribuição e comercialização devem iniciar os procedimentos de troca de todos os medidores analógicos pelos digitais. Estas substituições já foram iniciadas em algumas cidades, porém, ainda deve demorar a atingir todo o sistema elétrico de potência nacional. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), existem aproximadamente 65 milhões de medidores analógicos no Brasil para serem trocados pelo modelo digital, além disto, é necessária a criação de toda infraestrutura para a coleta dos dados por estes medidores.
As novas tecnologias de medição, de tensão e de corrente, em linhas de distribuição, e a evolução da eletrônica, tornam economicamente acessível à implantação de medidores e outros componentes eletrônicos no sistema elétrico, possibilitando a integrá-los aos demais sistemas e, assim, conferindo-lhes inteligência e autonomia.
Os benefícios associados aos medidores digitais surgem para ambos, usuários e concessionária: para os primeiros, tem-se por vantagens o aumento da confiabilidade da medição, controle de consumo, possibilidade de geração de energia para autoconsumo e comercialização da energia elétrica excedente à concessionária; enquanto para o segundo, os benefícios são o monitoramento de fraudes, controle em tempo real da energia consumida, facilidade de calibração, além de ser acesso para as redes inteligentes.
Sequencialmente, após a realização das leituras dos parâmetros requeridos, estes são transformados em valores numéricos, posteriormente apresentados em um display, para leitura local ou enviados a uma central de coleta e armazenamento de dados. A transmissão dos dados, por sua vez, poderá ser realizada via meios guiados, como par metálico ou fibra óptica, ou não guiado, como por exemplo, o ar. Para tanto, existem diversas possibilidades a serem aplicadas na transmissão dos dados em uma rede inteligente, das quais se podem destacar:
• PLC (Power Line Communication - Comunicação através da rede elétrica); • Fibra óptica;
•GSM (Global System for Mobile Communications - Sistema Global para Comunicações Móveis);
• GPRS (General Packet Radio Service - Serviço Geral de Pacotes por Rádio); •UMTS (Universal Mobile Telecommunication System - Sistema Universal de Telecomunicação Móvel);
• SMS (Short Messages Service - Sistema de Mensagens Curtas); • LAN (Local Area Network);
• Mesh; • ZigBee.
Por fim, na etapa de processamento os dados de entrada são processados, através do uso de algoritmos escritos em linguagem de programação, para gerar as informações pertinentes à geração ao consumo.
Embora, entre pesquisadores e estudiosos da área, não prevaleça um senso comum acerca da normatização para implantação das Smart Grids, o presente trabalho visa abrangê-las quantitativa e qualitativamente. No Brasil, a implantação de tal tecnologia iniciou-se com
a automação de alguns dispositivos que compõem a rede atual que, desta maneira, vem contribuindo para a efetivação do conceito.
1.1 JUSTIFICATIVA
Considerando-se que, segundo dados da empresa IBM, 14,7% do total da energia produzida no Brasil é dissipada no processo de distribuição e que significativa parcela é utilizada somente durante o horário de pico, nada incomum o crescimento de iniciativas relacionadas ao desenvolvimento de tecnologias para sanar as deficiências energéticas nacionais, sobretudo ao que tange à sua baixa eficiência.
Não obstante, esta pesquisa encontra justificativa mediante a tendência de implantação de tecnologias de redes de comunicações de dados para telecontrole, telemedição, monitoração remota, corte e religamento remoto e supervisão de fornecimento de energia elétrica em tempo real, ampliando o campo de atuação de projetos que prezam pela elevação da eficiência e qualidade da energia ofertada à sociedade, reduzindo os impactos de um sistema desenvolvido para operar com sua capacidade máxima durante um curto intervalo de tempo.
1.2 OBJETIVO
1.2.1 Objetivo Geral
Analisar a inserção conceitual e tecnológica das Smart Grids ou Redes Inteligentes no cenário de geração energética e os efeitos de sua adoção por algumas concessionárias de energia elétrica do Brasil, entre elas LIGHT S.A., COPEL, CEMIG e CELESC Distribuição S/A.
1.2.2 Objetivos Específicos
Caracterizar a funcionalidade da tecnologia Smart Grid mediante a utilização de tecnologias de comunicação para interface entre os religadores e chaves seccionadoras da rede de distribuição de energia e os centros de operação do sistema e, ainda, o monitoramento de unidades consumidoras para supervisão, faturamento, corte e religamento;
Mapear a demanda para ajuste do consumo de energia pelo centro de supervisão da concessionária;
Verificar os efeitos da tecnologia Smart Grid no sistema de distribuição de energia elétrica;
Analisar as implicações do emprego da tecnologia Smart Grid na condição atual e nas perspectivas futuras, por concessionárias brasileiras como LIGHT S.A., COPEL, CEMIG e CELESC S/A, quanto às redes inteligentes.
ENERGIA
A princípio, faz-se necessário elucidar que as pesquisas sobre Smart Grid mudarão a topologia dos atuais sistemas de distribuição de energia. Assim, antes do entendimento acerca das implicações da implantação do conceito Smart Grid, advindas de novas tecnologias de monitoramento, transmissão e controle de dados, é imprescindível a sumária compreensão do funcionamento do Sistema Elétrico de Potência (SEP).
2.1 SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Em sentido amplo, todas as instalações e equipamentos destinados desde a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica até sua entrega aos consumidores, constituem os componentes que compreendem o SEP. (NBR 05460; 1992)
Neste sentido, torna-se relevante a função das usinas que, construídas conforme características específicas relacionadas à sua localização, são as responsáveis pela geração de energia elétrica.
2.1.1 Função do Sistema Elétrico de Potência
O Sistema Elétrico de Potência possui como principal função o intercâmbio e a integração de energia elétrica entre os diversos pontos do sistema, com diferentes necessidades, sendo possível que determinadas partes absorvam excesso de energia disponibilizada em outras, de modo que a interligação entre tais pontos ocorre através de linhas de transmissão cada vez mais longas.
2.1.2 Geração de energia elétrica
Ao que concerne à geração, as hidrelétricas, principais matrizes energéticas no Brasil, transformam a energia mecânica, obtida pelo represamento das águas de rios e lagos, em energia elétrica, resultando em impactos ambientais pouco agressivos, se comparadas a demais formas tradicionais de geração, como as usinas térmicas, nas quais a energia é obtida através da queima de combustíveis fósseis ou fusão e fissões nucleares, estrategicamente posicionadas em função de operação, transmissão e controle.
Ademais, ainda que em menor número, crescem no mercado fontes energéticas alternativas, como: eólicas, fotovoltaicas, de biomassa, entre outras.
2.1.3 Linhas de Transmissão
As linhas de transmissão têm função de, a partir das unidades de geração, transportar a energia elétrica até os centros de consumo, realizando, portanto, a interligação do sistema elétrico de potência. Geralmente, tais linhas terminam nas subestações abaixadoras, locais de redução dos níveis de tensão para níveis de subtransmissão e distribuição.
2.1.4 Linhas de Subtransmissão
As linhas de subtransmissão operam, normalmente, com tensões inferiores às do sistema de transmissão, todavia, não estão impossibilitadas de operar com os mesmos níveis. Sua função básica consiste na distribuição da energia a partir das linhas de transmissão até as subestações de cada região, denominadas de subestações locais.
2.1.5 Linhas de Distribuição Primária
As linhas de distribuição primária, ou alimentadores primários, transportam energia em níveis baixos de tensão, ou suficientemente adequados, para utilização em vias urbanas, entretanto, em níveis elevados para garantir regulação apropriada.
Funcionalmente, são estas linhas as responsáveis pelo abastecimento local, garantindo a transferência da energia elétrica do término da transmissão (ou subtransmissão) até a bucha dos transformadores primários de distribuição, enquanto que para o cliente/consumidor atendido em tensão primária, a transferência é encerrada com a medição de energia.
2.1.6 Linhas de Distribuição Secundárias
As linhas de distribuição secundárias localizam-se na ponta do sistema, contemplando as tensões mais baixas do SEP, tornando-as adequadas à aplicação direta em motores, máquinas, lâmpadas e aparelhos em geral. No Brasil, estas tensões, normalmente, não ultrapassam os níveis de 440/220 V, 380/220 V ou 220/127 V.
2.2 A FALTA DE AUTOMAÇÃO DO ATUAL SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO
As redes de distribuição de energia elétrica enfrentam, atualmente, desafios de operacionalização e qualidade como consequência da falta de previsão quando projetadas e construídas. São exemplos, os congestionamentos de fluxo de potência que sobrecarregam o sistema, enquanto que, por outro lado, tem-se o aumento da demanda para maior confiabilidade, segurança e proteção.
Complementarmente, identificam-se como aspectos deficitários, as ramificações de falhas nas redes, bem com os críticos problemas de transporte, comunicação e infraestrutura, que comprometem o fornecimento confiável de energia aos consumidores.
Não obstante, em virtude de os atuais sistemas de distribuição de energia elétrica estarem altamente interligados, perturbações em qualquer local da rede podem provocar impactos imediatos sobre uma grande área. Tal efeito pode se propagar através da própria rede, seja em larga escala ou em cascata, quase que instantaneamente, gerando consequências até mesmo em regiões remotas, inicialmente não relacionadas à perturbação.
Ainda que consideradas as evoluções sofridas nas últimas décadas acerca do funcionamento dos sistemas elétricos interligados, concebidos anteriormente ao ano de 1960, seus principais elementos e princípios não apresentavam suporte tecnológico, como uso de computadores e extensas redes de comunicação; em contrapartida, na atualidade, a computação faz-se essencial ao monitoramento em todos os níveis da rede de energia, possibilitando maior controle e celeridade na comunicação. Tais avanços ocasionam a reconfiguração automática das redes de distribuição de energia em caso de falhas, ameaças, perturbações ou, ainda, interligação a unidades de microgeração, que originam as chamadas gerações distribuídas.
Entretanto, os sistemas de distribuição de energia elétrica contemporâneos têm por limitação a utilização restrita da inteligência, basicamente, em seus processos de controle de supervisão e aquisição de dados do sistema (SCADA), compreendendo, na maioria das vezes, sua aplicação somente em componentes específicos. Ainda que medidas paliativas de solução venham sendo testadas, o sistema de controle central é muito lento, e as intervenções são parciais a partir da ação humana.
2.3 A INTELIGÊNCIA DO FUTURO SISTEMA
Segundo Amin e Wollenberg (2005), a necessidade de inserção de inteligência nas redes de distribuição de energia, requer a adoção de processadores independentes para cada componente, subestação e usina. Estes processadores, para a eficácia da rede, devem ser constituídos por um sistema operacional robusto, além de terem capacidade de atuar como agentes independentes, possibilitando a comunicação e cooperação entre si, de modo a formar uma grande plataforma de computação distribuída.
Assim, para que seu desempenho seja otimizado, cada componente deve ser conectado a sensores associados a sua própria rede, subestação e usina, permitindo constantes avaliações de funcionamento e precisa comunicação aos agentes vizinhos. Logo, por meio da
eficiência na transmissão das informações, a suposta rede inteligente tonar-se-ia responsável não somente pela remoção de componentes defeituosos, como também pela proteção e reorganização do sistema em situações de emergência, com uma atuação mais rápida, inteligente e automática do que a observada no atual sistema de controle central.
Contudo, o desenvolvimento de redes inteligentes está vinculado a uma série de alterações estruturais nas concessionárias de energia, sobretudo ao que tange às atualizações das novas instalações no sistema.
Neste sentido, é fato que as mudanças ou inclusões de novos equipamentos ao SEP são discretas e inseridas ao banco de dados do sistema supervisório de forma manual e, em alguns casos, ocorrendo tardiamente, somente após a instalação do equipamento, o que contribui para a geração de incoerências de dados recebidos pelos operadores do sistema central.
A possível solução para tais efeitos retardatários consiste na necessidade de que as informações sejam inseridas automaticamente no momento da conexão do componente à rede de distribuição, subestação ou usina, de modo similar a um sistema operacional de computador, que se atualiza automaticamente quando um novo dispositivo se conecta.
De maneira ilustrativa, a Figura 1 representa um sistema composto pelos estágios de potência e comunicação, anteriormente à inclusão de um novo dispositivo. Ressalta-se, no entanto, que a linha contínua sugere o trajeto do sistema de energia elétrica, enquanto a linha tracejada, o percurso dos dados transmitidos.
Figura 1: Sistema de rede inteligente sem inclusão de novo dispositivo, com base nos trajetos da energia e da comunicação de dados.
Sequencialmente, a partir da inclusão de um novo dispositivo, a rede automaticamente inicia a emissão de relatórios de dados, parâmetros e dispositivos de interconexões para os computadores do controle central que, por sua vez, passam a conter dados atualizados sempre que um dispositivo, unidade consumidora ou de microgeração forem instalados. Notório, assim, que a principal vantagem do arranjo está na atualização automática do banco de dados, reduzindo o prazo de espera de uma atividade antes realizada manualmente.
A partir da inserção de um novo componente à rede de distribuição, conforme apresentado na Figura 2, observa-se novamente que a linha contínua representa o caminho do sistema de energia elétrica, no qual ocorre a transferência de potência, enquanto que a linha tracejada ilustra o caminho integrado entre o componente e o sistema central.
Neste modelo, os processadores, independentemente de cada componente, são conectados a uma rede de telecomunicações, demonstrando que a conexão de um novo equipamento, unidade consumidora ou até mesmo um novo sistema microgerador ao sistema, é percebida pelo controle central de maneira automática, ocasionando a paralela atualização do banco de dados.
Figura 2: Sistema de rede inteligente com conexão automática a partir da inclusão de um novo componente. Fonte: Elaborado pelos os autores, 2012.
De forma geral, cada componente conectado diretamente ao sistema é capaz de, através de seus sensores e, portanto, sem intervenção humana, mensurar e enviar dados para um computador central, através de meios de comunicação preestabelecidos. Assim, ao detectar possibilidades de falha, o computador central inicia o desligamento, isolamento ou dispõe de medidas apropriadas para uma nova interligação entre o sistema, pontos de consumo e de abastecimento, sejam eles, da geração concentrada ou distribuída.
Devido ao fato de a rede de distribuição de energia elétrica ser complexa e composta de múltiplos componentes, ocasionando mudanças instantâneas em virtude de ações locais, faz-se necessário o desenvolvimento de modelagens, simulações e ferramentas adaptativas, utilizando-se algoritmos evolucionários para o controle e reconfiguração do sistema. O conceito de reconfiguração automática ou rede inteligente envolve o tratamento dos componentes individuais como interligados e com ação de cooperação.
Adicionalmente, para a incorporação efetiva das mudanças mencionadas, a elaboração de marcos regulatórios e políticas públicas que abordem modelos matemáticos e métodos computacionais, em tempo real, torna-se imprescindível. Perante o exposto, tais ações devem ser unificadas pelos diversos fabricantes de equipamentos da indústria de energia elétrica, uma vez que o panorama nacional está desprovido de fatores estratégicos, sendo lançados no mercado os mais variados modelos e métodos de solução.
Logo, a partir da consolidação de estudos e experimentos computacionais objetivando a padronização dos diversos componentes do sistema elétrico de potência, permitir-se-á que equipamentos de diversos fornecedores possuam interface de comunicação padrão, tornando-os adaptativos e possíveis de interconectar com os sistemas de distribuição de energia do futuro, a exemplo do que ocorre com os sistemas de telecomunicações.
Uma vez incorporadas as alterações de padronização e, vigentes as políticas regulatórias para as novas redes, inicia-se a fase do consumo programado e inteligente de energia elétrica, na qual a implantação de medidores digitais bidirecionais, os chamados Smart Meters, gera impacto diretamente aos consumidores finais de energia elétrica.
Atualmente, a leitura do consumo de energia elétrica pelas concessionárias é realizada mensalmente e para fins de faturamento, sendo viabilizada através do uso de um funcionário que realiza localmente a coleta de dados de forma manual e ultrapassada. A proposta da inserção de medidores inteligentes, seja para as concessionárias ou para o consumidor, inova ao permitir a realização da leitura do consumo de forma remota, possibilitando o remanejamento da mão de obra para outras atividades.
Em termos orçamentários, a nova metodologia ocasiona a aplicação de modalidades tarifárias diferencias por horários e formas de consumo, o que, por sua vez, implica na opção de escolha pelo consumidor da alternativa que atenda suas necessidades, ajustando-a aos horários em que a energia elétrica for mais barata, por exemplo.
Complementarmente, o uso da rede inteligente melhora aspectos da rede de distribuição de energia, incentiva novos padrões que incluem o controle do tempo e do nível
da demanda, com a alternativa de utilização da geração distribuída, conforme abordado no capítulo que segue.
Por outro lado, em termos técnicos, a geração distribuída está mais próxima do ponto de consumo e, por consequência, torna-se mais eficiente e economicamente viável, haja vista a possibilidade de comercialização do potencial excedente instantâneo gerado pelo consumidor à concessionária, em razão de seu fluxo bidirecional.
Finalmente, o conceito de rede inteligente estabelece a utilização de técnicas de sensoriamento, transmissão e processamentos de dados, bem como o uso de medições inteligentes e a possibilidade de geração distribuída, almejando, com isto, a otimização das formas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica do sistema energético nacional em vigor.
Ademais, a partir da otimização das estruturas já existentes, podem as concessionária adiar os investimentos em construção de novas redes de distribuição, uma vez que se torna viável a redistribuição do fluxo de potência entre as redes já em operação.
DISTRÍBUIDOS
A possibilidade de automatizar as redes de energia elétrica requer um dispositivo inteligente para medição e registro do consumo, em conformidade com a nova característica de bidirecionalidade do fluxo de potência. Desta maneira, a análise de cada uma das partes permite a compreensão da funcionalidade sistêmica da estrutura.
3.1 MEDIÇÃO BIDIRECIONAL AVANÇADA
Uma vez concebida a nova tecnologia, a função dos medidores bidirecionais no sistema será a de realizar, remotamente, o ligamento e desligamento do cliente à rede elétrica, bem como ainda, monitorar e registrar o consumo de energia, além de efetuar medições de tensão e corrente em tempo real. Com intuito ilustrativo, apresentam-se na Figura 3, modelos de medidores digitais a serem lançados no mercado.
Figura 3: Modelos de medidores eletrônicos.
Fonte: Landis+gyr. Disponível em <http://www.landisgyr.com>. Acesso em: 24 mar. 2012.
Utilizados para conferir maior confiabilidade e melhor gerenciamento do consumo de energia elétrica, os medidores digitais serão instalados nos mesmos locais dos já existentes, não havendo qualquer implicação na topologia da instalação, embora significativa
quantidade de dados estará disponível para as operações e planejamento, tanto pelo lado do consumidor, quanto da concessionária de energia, a qualquer instante.
Além disto, mediante a possível interface entre os medidores digitais e futuros aparelhos inteligentes, em tempo real, o padrão de carga do sistema de distribuição poderá ser ajustado, equilibrado ou balanceado em resposta automática à demanda consumida no momento.
3.2 AUTOMAÇÃO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO
O ponto mais importante da automação da rede de distribuição encontra-se na área de proteção e comutação, por vezes integradas em um único aparelho, sendo o monitoramento, controle e comunicação os aspectos de maior relevância da automação da rede de distribuição.
Embora as atuais redes já apresentem alguns dispositivos que possam conferir certa inteligência ao sistema de distribuição, estes estão limitados a interromper e comunicar-se com os circuitos, a fim de reconfigurar automaticamente a rede e restabelecer o fornecimento de energia elétrica aos centros consumidores.
Neste sentido, uma relevante contribuição para as redes inteligentes será a capacidade e a flexibilidade de reconfiguração de alimentadores. A automação da distribuição necessita que a topologia da rede possua equipamentos capazes de aceitar a transferência, e que o sistema de proteção isole adequadamente os pontos de falha que foram reconfigurados. Tal apontamento relaciona-se diretamente com a arquitetura e projeto do sistema de distribuição de energia elétrica.
Sumariamente, pode-se estabelecer que as redes inteligentes configuram um conceito utilizável para a reconfiguração rápida, flexível e segura do SEP, permitindo que, futuramente, os sistemas de distribuição devam ser concebidos como uma rede integrada, conectada a várias subestações. Assim, o foco de alimentadores radiais migra para um sistema de alimentadores interligados em forma de anel, conforme visualizado nas Figuras 4 e 5.
Figura 4: Alimentador de um sistema radial. Fonte: Elaborado pelos autores, 2012.
Figura 5: Alimentador de um sistema em anel Fonte: Elaborado pelos autores, 2012.
Os dispositivos de proteção dos sistemas de distribuição em uso apropriam-se das variáveis tempo-corrente para coordenação, sendo monitorados através do sistema supervisório de aquisição de dados (SCADA), detalhadamente explicitado em capítulos seguintes, em que os dispositivos mais rápidos estão topologicamente mais longe do ponto de consumo.
Nas redes inteligentes, por definição, a topologia deve ser flexível e, conjuntamente com a proteção do sistema, deve ser planejada a fim de assegurar a coordenação e proteção para uma ampla variedade de configurações e soluções.
3.3 RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUÍDOS
A inserção, de forma distribuída, de células fotovoltaicas, microturbinas e células combustíveis no sistema de distribuição de energia elétrica, acompanhadas de sistemas de armazenamento de energia e de controle de carga, denomina-se de Sistema de Microrredes ou Microgeração. Em redes inteligentes, tais sistemas alimentarão diretamente as cargas, estando conectados à rede de energia elétrica e obedecendo rigorosamente às prerrogativas da norma de microgeração, destacadas na seção seguinte.
A Figura 6, por sua vez, demonstra um sistema elétrico de potência no qual estão adicionadas fontes renováveis de microgeração.
Figura 6: Sistema elétrico de geração distribuída.
De acordo com Lasseter (2007, p. 144-9), a utilização de microrredes gera benefícios ao sistema de distribuição de energia, dos quais, citam-se:
Existência de um sistema mais seguro e eficiente, podendo ser isolado do restante da rede de distribuição da concessionária, em caso de distúrbios;
Redução da distância entre os centros consumidores e os centros geradores, diminuindo perdas, necessidade de maior suporte ao processamento de energia reativa e a emissão de CO2.
Paralelamente, o despacho de energia elétrica também deve sofrer melhorias mediante a utilização das microrredes, havendo mudança do pico de demanda de energia e, consecutivamente, uma melhor utilização dos componentes das redes de distribuição das concessionárias. Conforme outrora elucidado, no sistema vigente, as redes estão projetadas para atender a demanda em horários de pico, ou seja, sua capacidade máxima é utilizada durante um pequeno intervalo de tempo.
Assim, a geração distribuída torna-se um elemento fundamental na composição das redes inteligentes, caracterizada por seu pequeno porte, quando comparada às grandes centrais geradoras, e por sua proximidade com a carga, sendo conectadas à própria rede de distribuição. Ratifica tal descrição, a definição do IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), para o qual a geração distribuída é uma central de geração pequena o suficiente para estar conectada à rede de distribuição e próxima ao consumidor.
Em contrapartida, argumentam Uemura e Kobayaschi (2011) que o incremento da geração distribuída nos sistemas de distribuição de energia provocará efeitos perturbadores, como o congestionamento do fluxo de potência e flutuações de tensão. Deste fato, decorre a necessidade de que as redes inteligentes ofereçam mecanismos de controle do fluxo de potência, interface de suprimento e demanda, bem como controle da operação do próprio sistema.
Para atender esta finalidade, empregam-se sensores de linha nos alimentadores do sistema de distribuição, permitindo o uso intensivo de fontes renováveis, por meio da geração distribuída.
Como abordado por Cagno, et al (2011, p.178).
A integração da geração distribuída ao sistema elétrico exige revisão da infraestrutura da rede, até então projetada para fluxos de potência unidirecionais (...), é necessário propor um novo modelo para conexão e gerenciamento da geração distribuída na rede, definido como sistema de energia virtual, baseado num canal de comunicação entre usuários ativos, cargas e distribuidores.
Tais sensores tornam-se, neste contexto, responsáveis pelas leituras para a realização de estimativas da distribuição de carga e avaliação dos efeitos da regulação de tensão.
3.4 NORMAS REFERENTES À MICRO E MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDAS
O funcionamento de qualquer sistema de micro ou minigeração distribuída conectado na rede elétrica requer o atendimento de prerrogativas mínimas estabelecidas pela Resolução Normativa nº 482/2012, da ANEEL.
Para fins de definição da tensão de conexão da central geradora serão adotadas como parâmetros as faixas de potência, como indicado na Tabela 1, em corrente alternada com freqüência de 60 (sessenta) Hz.
Tabela 1 - Níveis de tensão considerados para conexão de centrais geradoras. Potência
Instalada Nível de Tensão de Conexão
< 10 kW Baixa Tensão (monofásico)
254 / 127 V e 440 / 220 V 10 a 75 kW Baixa Tensão (trifásico) 220 / 127 V
e 380 / 220 V 76 a 150 kW Baixa Tensão (trifásico)
ou Média Tensão 220 / 127 V e 380 / 220 V ou 13,8 kV e 34,5 kV 151 a 500 kW
Baixa Tensão (trifásico) ou Média Tensão 221 / 127 V e 380 / 220 V ou 13,8 kV e 34,5 kV 501 kW a 10 MW Média Tensão ou Alta Tensão 13,8 kV e 34,5 kV ou 69 kV e 138 kV 11 a 30 MW Média Tensão ou Alta Tensão 13,8 kV e 34,5 kV ou 69 kV e 138 kV
Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa nº 482/2012.
Em função da potência instalada, a norma brasileira observa os requisitos mínimos necessários para o ponto de conexão da central geradora, como destacado na Tabela 2.
Tabela 2 - Requisitos mínimos pela potência instalada.
Equipamento Potência Instalada (k W)
Até 100 101 a 500 501 a 1000
Elemento de desconexão Sim Sim Sim
Elemento de interrupção Sim Sim Sim
Transformador de acoplamento Não Sim Sim
Proteção de sub e sobretensão Sim Sim Sim
Proteção de sub e sobrefrequência Sim Sim Sim
Proteção contra desequilíbrio de corrente Não Não Sim
Sobrecorrente direcional Não Não Sim
Sobrecorrente com restrição de tensão Não Não Sim
Relé de sincronismo Sim Sim Sim
Anti-ilhamento Sim Sim Sim
Estudo de curto-circuito Não Sim Sim
Medição Bidirecional Bidirecional Bidirecional
Ensaios Sim Sim Sim
Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa nº 482/2012.
Ainda de acordo com os dispositivos regulatórios previstos pela norma em análise, cumpre destacar a instalação de elemento extremamente essencial ao pleno funcionamento do sistema: o anti-ilhamento, mecanismo utilizado para detectar o estado de operação.
Dada a desconexão da rede de energia, seja por desligamento intencional ou por motivos inesperados, ocorre o ilhamento. Desta forma, o sistema de anti-ilhamento tem por função desabilitar a microgeração, impedindo a energização indevida da rede, sendo que a detecção de falta na rede pode ser realizada por método passivo ou ativo.
O método passivo não interfere na qualidade da energia, uma vez que só monitora os parâmetros da rede; enquanto o ativo causa perturbação na rede e monitora seu efeito, contudo, pode interferir na qualidade da energia e ser causadora de problemas em sistemas conectados à rede elétrica.
3.4.1 Principais Unidades de Microgeração
Dentre as unidades de microgeração, destacam-se as pequenas centrais hidrelétricas (PCH), as gerações eólica e fotovoltaica, as usinas a biomassa, as microturbinas a gás e os veículos elétricos.
A seguir, apresenta-se breve síntese de cada uma das unidades, elencando suas características e funcionamento. .
3.4.1.1 Pequena Central Hidrelétrica (PCH)
Tendo por base a definição estabelecida pela Resolução nº 394/1998 da ANEEL configuram-se como PCH todas as usinas hidrelétricas de pequeno porte cuja capacidade instalada seja superior a 1 MW e inferior a 30 MW, apresentando área de reservatório inferior a 3 km².
Tipicamente, uma PCH não possui regularização do fluxo de água e, desta forma, em ocasiões de estiagem, a vazão pode ser menor que a capacidade das turbinas, causando a ociosidade das mesmas. Por outro lado, nos períodos chuvosos, a vazão pode ser maior que a capacidade das máquinas, originando a passagem de água pelo vertedouro. Assim sendo, o custo da energia produzida em uma PCH torna-se superior ao de uma Usina Hidroelétrica de Energia (UHE), na qual os reservatórios permitem a regulação, diminuindo a ociosidade das turbinas e o desperdício de água.
Entretanto, as vantagens inerentes a uma PCH consistem no menor impacto ambiental e enquadramento como unidade de geração distribuída, devido seu tamanho reduzido em relação às UHE. Normalmente, são instaladas em rios de pequeno e médio porte, com desníveis significativos durante sua extensão, onde a força da água é suficiente para movimentar as turbinas. Na Figura 7, retratam-se os principais componentes de uma PCH.
Figura 7: Forma genérica de uma PCH.
Além do exposto, as PCH’s recebem uma série de incentivos para seu funcionamento, dentre os quais: liberação do pagamento das taxas de utilização pelo uso das redes de transmissão e distribuição, bem como isenção de pagamento pela utilização dos recursos hídricos, aos estados e municípios.
3.4.1.2 Geradores eólicos
A energia eólica refere-se à energia cinética contida nas massas de ar em movimento, convertida em energia elétrica através do emprego dos aerogeradores ou turbinas eólicas, sendo utilizada há longa data, para geração de trabalho mecânico, como o bombeamento de água ou a moagem de grãos.
Contudo, o emprego desta fonte para a geração de energia elétrica teve início apenas no fim do século XIX, ainda que, somente durante a crise do petróleo, nos anos de 1970, emergiu o interesse por seu uso em escala comercial. Com isto, a primeira turbina eólica conectada à rede elétrica começou a funcionar em 1976, na Dinamarca. (http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/06-energia_eolica(3).pdf)
Em processo de evolução, a tecnologia de geração de energia elétrica a partir de fontes eólicas, assim como para outras fontes, está ainda em desenvolvimento, mas já apresenta resultados significantes, como a redução de custos, a melhoria de desempenho e a maior confiabilidade.
O potencial elétrico associado à determinada região, normalmente, é avaliado através de coleta de dados referentes à velocidade e regime dos ventos. Estima-se que o potencial eólico bruto mundial seja da ordem de 500.000 TWh/ano. Porém, devido a restrições socioambientais, apenas 53.000 TWh/ano, cerca de 10%, são considerados tecnicamente aproveitáveis, correspondendo a quatro vezes o consumo médio mundial de eletricidade. (www.aneel.gov.br)
No cenário brasileiro, diversos estudos e levantamentos são realizados para estimar o potencial eólico nacional, estabelecido em, aproximadamente, 60.000 MW. A Figura 8 demonstra a distribuição da geração eólica entre os principais países geradores.
Considerando-se os investimentos na área e o aperfeiçoamento das técnicas, notórios são os avanços nos equipamentos para geração desta energia. Neste contexto, os tipos de turbinas utilizados em escala comercial sofreram grandes alterações ao longo dos
anos, apresentando distintas configurações, das quais se destacam: eixo horizontal, eixo vertical, apenas uma pá, com duas e três pás, gerador de indução, gerador síncrono, dentre outros.
Figura 8: Capacidade instalada no mundo.
Fonte: Agência Nacional de Energia elétrica. Disponível em <http://www.aneel.gov.br >. Acesso em: 09 abr. 2012.
Contudo, os aerogeradores mais modernos estão sendo direcionados para a utilização das seguintes características: eixo de rotação horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não flexível, conforme o esquema apresentado na Figura 9.
Figura 9: Componentes do aerogerador.
3.4.1.3 Energia solar fotovoltaica
A conversão da energia solar diretamente em energia elétrica ocorre devido aos efeitos que a radiação gera em certos materiais semicondutores, denominado efeito fotovoltaico. Para aproveitar o potencial energético ocasionado por este efeito, são empregadas células fotovoltaicas, que constituem a unidade básica na captação da energia solar. O agrupamento de células, por conexões série ou paralela, origina um módulo fotovoltaico que, quando associados, formam um arranjo ou um painel fotovoltaico. Tais relações são mostradas na Figura 10, a seguir.
A radiação solar incidente em certa região depende de fatores específicos, entre eles, a condição atmosférica e a incidência solar que, por sua vez, associam-se a fatores como o movimento de rotação devido à inclinação do eixo terrestre e o movimento de translação, devido à forma elíptica da trajetória que a Terra descreve ao redor do Sol.
Figura 10: Célula, módulo e arranjo. Fonte: Coelho (2008, p. 20).
Embora as condições climáticas e atmosféricas, devido a absorção e reflexão, reduzam o percentual de radiação incidente sobre a Terra, a energia solar em sua superfície é estimada em 10 mil vezes o consumo energético mundial. (www.cresesb.cepel.br)
O território brasileiro, por apresentar relevante parcela próxima à linha do Equador, recebe grande incidência solar, caracterizada pela baixa variabilidade anual. Para aproveitá-la ao máximo, a inclinação dos módulos fotovoltaicos deve ser ajustada de acordo
com a latitude e o período do ano de maior incidência energética. A Figura 11 ilustra a média da distribuição da radiação solar sobre o território brasileiro ao longo de um ano.
Figura 11: Média anual da radiação solar (Wh/m².dia).
Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em <http://www.aneel.gov.br >. Acesso em: 15 abr. 2012.
Embora a eficiência das células fotovoltaicas, mensurada a partir da proporção entre a energia contida na radiação solar e a convertida em energia elétrica, seja maior que a eficiência dos sistemas termoelétricos, avaliados em até 40%, em aplicações laboratoriais estes valores não ultrapassam 19%, normalmente. (www.inovacaotecnologica.com.br/ noticias/noticia.php?artigo=celula-solar-mais-eficiente-ja-fabricada-atinge-50-eficiencia&id =010115090729).
Se por um lado os resultados observados com o desenvolvimento da energia solar são bastante satisfatórios, por outro, ainda que seja uma realidade em transição, o principal impedimento para a utilização desta tecnologia está relacionado ao seu elevado custo, tornando-a viável somente para aplicações remotas, onde a rede elétrica é inexistente, conforme retrata a Figura 12.
Figura 12: Sistema Térmico de Geração de Energia.
Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em <http://www.aneel.gov.br >. Acesso em: 20 abr. 2012.
3.4.1.4 Usina a biomassa
Os resíduos resultantes da produção rural, como palha, casca de milho, soja e arroz, ou bagaço da cana-de-açúcar, possuem um grande potencial energético. A forma mais comum de se obter a conversão da biomassa em energia elétrica se dá através da queima direta, porém, há outros modos de transformação, como a gaseificação, na qual a matéria orgânica é transformada em gás através do processo de combustão, (www.nest.unifei.edu.br /portugues/pags/novidades/seminario_internacional_2009/files/Gaseificacao_CYTED.pdf), e a pirólise, que consiste no fornecimento de energia sob a forma de calor a biomassa na qual, via reação química, é convertida em óleo. (www.campus.fct.unl.pt/afr/ipa_9900 /grupo0051_recnaturais/biomassa.htm). Há de se considerar o fato de tais usinas estarem aptas a produzir energia com variadas fontes de biomassa, devido à sazonalidade das culturas e alterações nas oportunidades econômicas de cada região.
A instalação de sistemas de gaseificação e geradores em regiões agrícolas apresenta-se como solução para gerar energia elétrica através de resíduos provenientes de várias culturas agrícolas. Um sistema deste tipo possui capacidade para gerar cerca de 1 kWh de eletricidade para cada 3 kg de biomassa, proporção econômica e sustentavelmente benéfica. (www.infoagronegocio.com.br) Na Figura 13, demonstra-se uma usina a biomassa.
Figura 13: Usina a Biomassa.
Fonte: Info Agronegócio. Disponível em <http://www. infoagronegocio > Acesso em: 13 abr. 2012.
Na Figura 14, apresentam-se os componentes básicos de um sistema de geração por biomassa.
Figura 14: Geração de energia através da Biomassa.
Fonte: Info Agronegócio. Disponível em <http://www. infoagronegocio > Acesso em: 13 abr. 2012.
Ademais, a instalação de uma usina de biomassa deve seguir alguns cuidados para que a energia produzida possua custo razoavelmente baixo, enfatizando-se a localização, diversidade e manuseio dos combustíveis, que devem estar localizadas próximas às usinas, tornando o custo do transporte economicamente viável, e suficientemente afastadas de áreas residenciais, em virtude do odor e ruídos produzidos.
3.4.1.5 Microturbina a Gás
O termo microturbina refere-se, em geral, a um sistema de dimensões relativamente reduzidas, com uma potência total disponível não superior a 250 kW e
composto por: compressor, câmara de combustão, turbina e gerador elétrico. Por outro lado, sistemas semelhantes, mas com potências entre 250 kW e 1 MW, são usualmente denominados de miniturbinas. (http://www.ceeeta.pt/downloads/pdf/MicroGas.pdf) Na Figura 15, representam-se modelos de microturbinas.
Figura 15: Microturbinas a gás.
Fonte: < http://paginas.fe.up.pt/~fmb/PTE2/Apontamentos%20PTE2/PTE2_Microturbinas.pdf> Acesso em: 13 abr. 2012.
Com o objetivo de melhorar o rendimento das microturbinas, normalmente são empregados recuperadores de calor, assim, os gases de escape ultra-aquecidos são utilizados para elevar a temperatura do ar antes que ele entre na câmara de combustão, com consequente elevação da pressão. Na turbina, a mistura se expande transmitindo energia mecânica ao compressor e gerador.
A frequência da tensão produzida pelas microturbinas é elevada, cerca de 1800 Hz, estando relacionadas à velocidade de rotação, estabelecida em torno de 7000 a 9000 rpm. Assim, para utilizar a energia gerada comercialmente, faz-se necessário sua retificação e posterior inversão para a frequência de 60 Hz.
O rendimento típico de uma microturbina com recuperador de calor não ultrapassa o valor de 30%, enquanto em sistemas de cogeração, pode chegar até 80%. Tais valores tendem a aumentar se forem utilizados materiais cerâmicos nas partes quentes da turbina, o que permitiria maior temperatura e, consequentemente, elevação do rendimento global. O funcionamento baseado no conceito de cogeração requer a instalação de um permutador de calor, de modo que os gases de escape ultra-aquecidos sejam aproveitados para geração de energia, através de um segundo tipo de gerador elétrico.
Para permitir maior flexibilidade no funcionamento são utilizadas, também, caixas de velocidade que possibilitam que o compressor e o gerador não fiquem diretamente acoplados ao mesmo eixo. Porém, esta solução implica em um maior número de peças
móveis, resultando em maior desgaste e ruído de operação. Na Figura 16, encontra-se um esquema simplificado de uma microturbina com sistema de cogeração.
Figura 16: Esquema de um sistema micro turbina com vários veios
Fonte: Centro de Estudos em Economia da Energia dos Transportes do Ambiente.
O funcionamento das microturbinas é regido pelas seguintes etapas: (http://paginas.fe.up.pt/ ~fmb/PTE2/Apontamentos%20PTE2/PTE2_Microturbinas.pdf)
O ar é aspirado e forçado para o interior da turbina com velocidade e pressão elevadas;
O ar é misturado ao combustível e queimado na câmara de combustão onde o processo de queima é controlado para se obter a máxima eficiência e baixos níveis de emissões;
Os gases produzidos na queima sofrem expansão nas palhetas da turbina, produzindo trabalho;
3.4.1.6 Veículos Elétricos
Os veículos elétricos, usualmente interligados às redes inteligentes para carga, podem comportar-se também como fonte de geração distribuída, sendo um dos meios de transporte que mais se aproxima da emissão nula de poluentes, porém, esse percentual depende do modo como à energia elétrica foi gerada.
São considerados veículos elétricos aqueles acionados por pelo menos um motor elétrico, constituindo fator importante para a redução do uso dos combustíveis fósseis, embora possam causar graves problemas à rede de energia elétrica em virtude da potência demandada para o seu funcionamento. (PAULA, 2011)
Comparados a veículos à gasolina, que consomem em média 350 a 400 Wh/km e 10 km/l, os veículos elétricos mostram-se mais eficientes, consumindo em média 80 a 120 Wh/km. Outro aspecto importante dos veículos elétricos vem do conceito de Vehicle to Grid, em que suas baterias poderão servir de backup e devolver energia à rede em caso de falha, aumentando a confiabilidade do sistema.
3.4.1.6.1 Tipos de veículos elétricos
Os veículos elétricos podem ser diferenciados através da forma como a energia é disponibilizada para o sistema de motores, podendo ser classificados em cinco categorias:
3.4.1.6.1.1 A Bateria
A energia é fornecida para os motores, que ficam acoplados às rodas, através de baterias cuja carga é realizada quando conectadas à rede elétrica. Ressalta-se que alguns modelos, aplicáveis a ramos específicos do mercado, vêm sendo fabricados por montadoras tradicionais, em diversos países.
3.4.1.6.1.2 Híbrido
A energia, para este tipo de veículo, é fornecida através de geradores acionados por motores à combustão interna, nos quais baterias e capacitores são empregados para otimizar as condições de uso.
3.4.1.6.1.3 Célula a Combustível
A energia fornecida para este tipo de veículo é oriunda de células a combustível que transformam o hidrogênio diretamente em eletricidade. Tal tecnologia vem sendo considerada, por muitos especialistas, como o futuro do ramo automobilístico, cujo entrave ainda são os custos elevados.
Enfatiza-se que o hidrogênio requerido pode ser produzido através do metano (gás natural), metanol ou etanol, e seu acionamento é realizado com auxílio de sistemas de acúmulo de energia - baterias ou supercapacitores.
3.4.1.6.1.4 Veículo ligado à rede
Dentre os modelos de veículos elétricos, este apresenta menor expectativa de fabricação no Brasil, haja vista os altos custos e ausência de infraestrutura para que transitem, ainda que sejam encontrados, principalmente, no Estado de São Paulo.
3.4.1.6.1.5 Veículo solar
Módulos fotovoltaicos geram a energia necessária para a movimentação deste tipo de veículo que, atualmente, é restrito às universidades que desenvolvem tais projetos. Todavia, torna-se pouco provável que apresentem uso prático, haja vista que restrições de tamanho limitam a potência dos módulos.
Por fim, ressalta-se que a transição dos veículos a combustão por seus equivalentes elétricos vem ocorrendo lenta e gradualmente, já existindo no mercado nacional alguns exemplares. Para as próximas gerações, espera-se a presença de sistemas de alimentação nos quais baterias serão carregadas conectando-se diretamente carro à tomada - sistema plug-and-play, conforme demonstra a Figura 17.
Figura 17: Veículo elétrico
Fonte: Associação Brasileira do Veículo Elétrico. Disponível em <http://www.abve.org.br/> Acesso em: 21 mar. de 2012.
No cenário nacional, não existe, ainda, um projeto que possa ser chamado de Smart Grid, mas sim, processos de automatização da rede de distribuição de energia elétrica, que consistem nos primeiros passos na direção das redes inteligentes. Neste capítulo, detalham-se alguns dos projetos pilotos, implantados por concessionárias de energia elétrica do Brasil.
4.1 LIGHT S.A.
Na Light S.A., o programa piloto de redes inteligentes surge com o objetivo de proporcionar melhorias na eficiência operacional da distribuição de energia, redução de perdas, melhor qualidade de fornecimento e de interação com os consumidores. Este programa está subdividido, basicamente, em cinco projetos: plataforma Smart Grid, gestão otimizada da rede de distribuição de energia elétrica subterrânea, gestão otimizada da rede de distribuição de energia elétrica aérea, gestão energética pelo lado da demanda e gestão de fontes renováveis, abordados mais detalhadamente a seguir.
4.1.1 Projeto para plataforma Smart Grid
O projeto para plataforma Smart Grid prevê o desenvolvimento de uma ferramenta para atuar com o conceito de rede inteligente, integrando sistemas de medição e de automação de redes de distribuição de energia elétrica.
4.1.2 Projeto para gestão otimizada da rede de distribuição subterrânea
Este projeto visa a desenvolver um sistema de gestão, em tempo real, para a rede subterrânea, utilizando tecnologias de monitoramento, diagnósticos e reconfiguração do sistema.
4.1.3 Projeto de gestão otimizada da rede de distribuição aérea
Neste caso, o objetivo consiste no gerenciamento de faltas e restabelecimento do sistema, além de provisionar a inserção de gerações distribuídas e a operação em modo ilhado.
4.1.4 Projeto para a gestão energética pelo lado da demanda
Tal projeto estabelece um sistema com foco no consumidor, promovendo a socialização do consumo eficiente de energia elétrica, através da utilização de canais multimídia interativos.
4.1.5 Projeto de gestão de fontes renováveis
O foco deste projeto está no armazenamento distribuído de energia elétrica e nos veículos elétricos recarregáveis.
4.2 COPEL
Dentre os programas desenvolvidos pela COPEL (Companhia Paranaense de Energia Elétrica), o de maior destaque em redes inteligentes é o do município de Fazenda Rio Grande escolhido em virtude de sua proximidade com o centro administrativo da COPEL, em Curitiba, e por ter condições de rede semelhantes ao restante do mercado da companhia, concentrando, portanto, grande parte dos projetos referentes à Smart Grid, em uma única cidade.
