Blockchain aplicado à comercialização de energia elétrica entre microrredes: uma análise exploratória das perspectivas técnicas e regulatórias

(1)

UNIVERSIDADE TECNOL ÓGICA FEDERAL DO PARAN Á DEPARTAMENTO ACAD ÊMICO DE EL ÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA EL ´ETRICA

RAFAEL DA COSTA BONOTTO

BLOCKCHAIN APLICADO `

A COMERCIALIZAC

¸ ˜

AO DE

ENERGIA EL ´

ETRICA ENTRE MICRORREDES: UMA

AN ´

ALISE EXPLORAT ´

ORIA DAS PERSPECTIVAS

T ´

ECNICAS E REGULAT ´

ORIAS

TRABALHO DE CONCLUS ˜AO DE CURSO

PATO BRANCO 2018

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RAFAEL DA COSTA BONOTTO

BLOCKCHAIN APLICADO `

A COMERCIALIZAC

¸ ˜

AO DE

ENERGIA EL ´

ETRICA ENTRE MICRORREDES: UMA

AN ´

ALISE EXPLORAT ´

ORIA DAS PERSPECTIVAS

T ´

ECNICAS E REGULAT ´

ORIAS

Trabalho de conclus ão de curso, apre-sentado à disciplina de Trabalho de Con-clus ão de Curso 2, do Curso de nharia El étrica da Coordenaç ão de Enge-nharia El étrica - COELT - da Universidade Tecnol ógica Federal do Paran á - UTFPR, C âmpus Pato Branco, como requisito par-cial para obtenç ão do t´ıtulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Fernando Jos ´e Avancini Schenatto

PATO BRANCO 2018

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TERMO DE APROVAC¸ ˜AO

O Trabalho de Conclus˜ao de Curso intitulado BLOCKCHAIN APLICADO

À COMERCIALIZAÇ ÃO DE ENERGIA EL ÉTRICA ENTRE MICRORREDES: UMA AN ÁLISE EXPLORAT ÓRIA DAS PERSPECTIVAS T ÉCNICAS E REGULAT ÓRIAS

do acadˆemico Rafael da Costa Bonotto foi considerado APROVADO de acordo com a ata da banca examinadora N◦ _{209 de 2018.}

Fizeram parte da banca examinadora os professores:

Fernando José ´Avancini Schenatto

Ricardo Vasques de Oliveira Jonatas Policarpo Américo

A Ata de Defesa assinada encontra-se na Coordenação do Curso de Engenharia Elétrica

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DEDICAT ´ORIA

Aos esp´ıritos criativos. Aos azar ˜oes. Aos resolutos. Aos determinados. Aos rebeldes. Aos desafiadores. Aos pensadores independentes. Aos lutadores. Aos que s ˜ao verdadeiramente crentes que podem conquistar o que acreditam.

(5)

EP´IGRAFE

O homem racional se adapta ao mundo. Aquele que ´e irracional persiste em tentar adaptar o mundo a si mesmo. Portanto, todo progresso depende so-mente do homem irracional.

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente, agradeço à minha condiç ão de ser humano saud ável e de amor insaci ável pela vida, essa que ainda me carece de compreens ão. Agradeço aos pequenos mas imprescind´ıveis prazeres da vida como o sol da manh ã, o som do mar e aos livros interessantes que li e que ainda lerei.

Aos meus pais Renato e Ur ˆania, que sempre acreditaram fielmente nas mi-nhas decis ˜oes e que me proporcionaram liberdade suficiente para desbravar o mundo com sabedoria e assertividade.

A minha irm ã Marina, que durante nossa conviv ência enquanto crianças potencializou minha criatividade e vis ão de mundo e hoje me inspira e me encanta com sua personalidade, sua força e seus sonhos.

A psic ´ologa Tuani Savaris, que me auxilia a me conectar com uma parte de mim que eu achava estar perdida. Me sinto cada dias mais capaz de me expandir como pessoa. Seu cuidado fez com que eu me sentisse humano novamente.

Ao meu orientador e amigo, Fernando Schenatto, que acreditou na minha proposta de tema e que, com uma habilidade singular de um mestre, orientou este trabalho com zelo, compreens ão e atenç ão.

Aos meus amigos que colhi durante a universidade e aos que eu trouxe comigo ao longo da vida. Cresço a cada dia ao compartilhar experi ências com voc ês.

´

E de um profundo desejo meu que cada um alcance o melhor de si.

Ao Aaron Swartz e Alexandra Elbakyan, que doaram suas vidas em ati-vismo em prol da liberdade de acesso irrestrito ao conhecimento. Este trabalho s ó foi poss´ıvel pelo fruto de seus esforços. O mundo inteiro tem uma d´ıvida enorme com voc ês.

E a todos que contribu´ıram de forma significativa na minha vida e que n ˜ao pude mencionar aqui. Sou grato.

(7)

RESUMO

BONOTTO, Rafael da Costa. Blockchain aplicado à comercializaç ão de energia el étrica entre microrredes: uma an álise explorat ória das perspectivas t écnicas e regulat órias. 2018. 70 f. Trabalho de Conclus ão de Curso (Graduaç ão) – Curso de Engenharia El étrica, Universidade Tecnol ógica Federal do Paran á, Pato Branco, 2018.

O aumento da disponibilidade de recursos distribu´ıdos de energia (DER) e a evoluç ão dos dispositivos de tecnologia da informaç ão que auxiliaram no avanço da conectividade entre as microrredes forneceram meios para novos formatos de comercializaç ão de energia el étrica com o surgimento de mercados de energia locais (LEM). O Blockchain, tecnologia paralela a este fen ômeno, surge como uma alterna-tiva para tornar os mercados de energia mais seguros e eficientes. No entanto, assim como as LEMs, a tecnologia em quest ão se encontra em estado inicial de desenvol-vimento e est á limitada aos desafios regulat órios que cada localidade exige para seu mercado de energia pr óprio. O trabalho analisa como que o Blockchain se apresenta atualmente dentro do contexto de energia el étrica ao realizar uma revis ão sistem ática da literatura (RSL), verifica-se qual o perfil de adoç ão dos pa´ıses com relaç ão aos LEMs e ao Blockchain e traz, de forma breve, uma an álise das condiç ões regulat órias brasileiras com relaç ão ao tema. Conclu´ı-se que o Blockchain n ão é uma tecnolo-gia suficientemente madura para ser aplicada no contexto de enertecnolo-gia el étrica, mesmo com progressos significativos e testes em operaç ão, e depende de mais avanços ope-racionais para ser utilizadas em larga escala nas aplicaç ões em quest ão. No Brasil, avanços de car áter regulat ório est ão sendo realizados mas n ão h á garantia que haja a legalizaç ão de comercializaç ão de energia el étrica entre microrredes no curto-prazo.

Palavras-chave: Microrredes, Blockchain, Gerac¸ ˜ao Distribu´ıda, P2P, Mercado de

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ABSTRACT

BONOTTO, Rafael da Costa. Blockchain applied to trading energy among microgrids: an exploratory analysis of the technical and regulatory perspectives. 2018. 70 f. Traba-lho de Conclus ão de Curso (Graduaç ão) – Curso de Engenharia El étrica, Universidade Tecnol ógica Federal do Paran á, Pato Branco, 2018.

The increase in the availability of distributed energy resources (DER) and the evolution of information technology devices that helped advance the connectivity between microgrids provided means for new formats of energy commercialization with the emergence of local energy markets (LEM). The Blockchain, technology parallel to this phenomenon, emerges as an alternative to make energy markets safer and more efficient. However, like LEMs, the technology in question is in the initial state of development and is limited to the regulatory challenges that each locality requires for its own energy market. The work analyzes how Blockchain is currently present within the context of electrical energy when conducting a systematic literature review (SLR) and verified the adoption profile of the countries in relation to the LEMs and the Blockchain and briefly presents an analysis of the Brazilian regulatory conditions in relation to the theme. It is concluded that Blockchain is not a sufficiently mature technology to be applied in the context of electric power, even with significant progress and testing in operation, and depends on more operational advances to be used on a large scale on the applications in question. In Brazil, regulatory advances are being made but there is no guarantee that there is a legalization of the commercialization of electricity between microgrids in the short term.

Keywords: Microgrids, Blockchain, Distributed Energy Resources, P2P, Electricity

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Hype Cycle das tend ˆencias tecnol ´ogicas emergentes. . . 16 Figura 2 - Em (a), o conceito de Internet da Energia como troca de

ener-gia el étrica e dados relacionados em uma pequena escala e, em (b), a representaç ão da troca de energia el étrica em comu-nidades em m édia ou larga escala. . . 23 Figura 3 - Agentes institucionais do setor el étrico. . . 26 Figura 4 - Estrutura do mercado tradicional de energia el étrica. . . 29 Figura 5 - Estrutura do mercado de energia el étrica com arranjo de um

mercado local. . . 30 Figura 6 - Design de um mercado local gen érico. . . 31 Figura 7 - Fases de um protocolo gen érico de uma rede Blockchain . . . 34 Figura 8 - Fluxograma dos m étodos e procedimentos de pesquisa. . . 39 Figura 9 - Classificaç ão de artigos por quantidade de citaç ões no PB . . 44 Figura 10 - Classificaç ão de artigos por nacionalidade de publicaç ão no PB 45 Figura 11 - Classificaç ão de peri ódicos/jornais por relev ância acad êmica

no PB . . . 45 Figura 12 - Vis ão geral da pr óxima geraç ão do mercado de energia el étrica. 47 Figura 13 - Modelo de maturidade da tecnologia Blockchain para aplicaç ões

em LEMs. . . 51 Figura 14 - Pa´ıses com projetos de adoc¸ ˜ao de LEMs em arquitetura P2P

e com tecnologia Blockchain focados em comercializaç ão de energia el étrica. . . 57

(10)

LISTA DE QUADROS

1 Agentes institucionais do setor elétrico brasileiro . . . 25 2 Estágios de maturidade de aplicação do Blockchain em LEMs. . . . 52 3 Artigos selecionados na fase de elegibilidade . . . 66

Quadro Quadro Quadro

(11)

-LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Premissas utilizadas para a realizaç ão da pesquisa . . . 40 Tabela 2 - Ocorr ência de palavras-chave nos artigos do PB . . . 43

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ACL Ambiente de Contrataç ão Livre. ACR Ambiente de Contrataç ão Regulada. ANEEL Ag ência Nacional de Energia El étrica.

B2C Business-to-Consumer (Provedor para consumidor). CCEE C âmara de Comercializaç ão de Energia El étrica. CMSE Comit ê de Monitoramento do Setor El étrico. CNPE Conselho Nacional de Pol´ıtica Energ ética. CP Consulta P ública.

DER Distributed Energy Resources (Recursos de energia distribu´ıdos). DISCO Distribution Companies (Companhias de distribuic¸ ˜ao).

EPE Empresa de Pesquisa Energ ´etica.

ESS Energy Storage System (Sistema de armazenamento de energia). GENCO Generating Companies (Companhias geradoras).

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletr ˆonicos).

IEMS Intelligent Energy Management System (Sistemas de gerenciamento de energia inteligentes).

LEM Local Energy Market. (Mercado de energia local). MME Minist ´erio de Minas e Energia.

ONS Operador Nacional do Sistema El ´etrico. P2P Peer-to-peer (Ponto-a-ponto).

PAC Ponto de acoplamento comum. PB Portf ´olio Bibliogr ´afico.

PoW Proof-of-Work .

RSL Revis ˜ao Sistem ´atica da Literatura.

SC Smart Contracts. (Contratos Inteligentes).

SD Science Direct.

SIN Sistema Interligado Nacional.

SMS Smart Metering Systems (Sistemas de medic¸ ˜ao inteligentes). TEM Traditional Energy Market (Mercado de energia tradicional).

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SUM ÁRIO 1 INTRODUÇ ÃO . . . 13 1.1 OBJETIVOS . . . 18 1.1.1 Objetivo geral . . . 18 1.1.2 Objetivos espec´ıficos . . . 18 1.2 JUSTIFICATIVA . . . 18 1.3 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA . . . 19 2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA . . . 20

2.1 ARQUITETURAS DE REDES DE ENERGIA EL ´ETRICA . . . 20

2.1.1 Gerac¸ ˜ao distribu´ıda . . . 20

2.1.2 Microrredes . . . 21

2.1.3 Peer-to-peer . . . 22

2.1.3.1 Prosumers . . . 24

2.2 COMERCIALIZAÇ ÃO DE ENERGIA EL ÉTRICA . . . 24

2.2.1 Agentes institucionais do setor el ´etrico brasileiro . . . 24

2.2.2 Mercado de Energia Tradicional . . . 27

2.2.3 Mercado de Energia Local . . . 29

2.3 BLOCKCHAIN . . . 32

2.3.1 Conceito e contexto da tecnologia . . . 32

2.3.2 Princ´ıpios de funcionamento de uma rede Blockchain . . . 33

2.3.3 Blockchain aplicado à comercializaç ão de energia el étrica . . . 36

3 METODOLOGIA . . . 38

3.1 ENQUADRAMENTO METODOL ´OGICO . . . 38

3.2 M ´ETODO, ETAPAS E PROCEDIMENTOS DE PESQUISA . . . 38

3.2.1 Revis ˜ao Sistem ´atica da Literatura . . . 38

3.2.2 Procedimentos e fases da pesquisa realizada . . . 39

3.2.3 An ´alise bibliom ´etrica . . . 41

(14)

4 RESULTADOS E DISCUSS ˜OES . . . 42

4.1 AN ´ALISE BIBLIOM ´ETRICA . . . 42

4.1.1 Distribuiç ão de artigos por ano de publicaç ão . . . 42

4.1.2 Distribuic¸ ˜ao de artigos por palavras-chave . . . 42

4.1.3 Grau de relev ância dos autores no portf ólio bibliogr áfico . . . 43

4.1.4 Classificaç ão de artigos por quantidade de citaç ões . . . 44

4.1.5 Classificaç ão de artigos por nacionalidade de publicaç ão . . . 44

4.1.6 Classificaç ão de artigos por relev ância acad êmica . . . 45

4.2 DISCUSS ˜AO DE PORTF ´OLIO . . . 46

4.2.1 Novo paradigma dos mercados de energia el ´etrica . . . 46

4.2.1.1 Implicaç ões regulat órias . . . 49

4.2.1.2 Implicaç ões t écnicas . . . 49

4.2.2 An álise t écnica, regulat ória e tecnol ógica do Blockchain no setor de ener-gia el étrica . . . 50

4.2.3 An álise das condiç ões regulat órias brasileiras . . . 53

4.2.3.1 Microrredes . . . 53

4.2.3.2 Comercializaç ão de energia el étrica . . . 54

4.2.3.3 Blockchain no setor de energia el ´etrica brasileiro . . . 54

4.2.4 Casos internacionais de aplicaç ão do Blockchain no setor de energia el étrica . . . 56

5 CONCLUS ˜AO . . . 59

(15)

13 1 INTRODUC¸ ˜AO

O cen ário de geraç ão e distribuiç ão de energia el étrica no mundo tem so-frido alteraç ões em seu processo tradicional de comercializaç ão e em sua direç ão de fluxo de geraç ão de energia. Com a inserç ão frequente e a popularizaç ão de geraç ão renov ável e intermitente na rede de energia el étrica, que ocorre em v ários pa´ıses, incluindo o Brasil, os consumidores de energia el étrica convencionais podem se trans-formar em prosumers1, atuando tanto como geradores como consumidores de energia el étrica (HWANG et al., 2017).

As atuais possibilidades para os prosumers s ão limitadas ao excedente de geraç ão produzido por esses. Em alguns pa´ıses, é poss´ıvel vender esse excedente de volta para o agente respons ável pelos serviços realizados no âmbito da distribuiç ão de energia el étrica, como as concession árias. Elas compensam com cr édito ou, no caso de alguns pa´ıses, pagam pelo kWh por um preço estabelecido por comercializaç ão.

´

E desvantajoso para os agentes que produzem e entregam excedentes para a rede com compensaç ão de cr édito para as concession árias de energia el étrica pois com tais limitaç ões regulat órias n ão se encaixam outros modelos de transaç ão de energia. Mesmo em pa´ıses que cont êm pol´ıticas p úblicas de tarifas do tipo feed-in2_{, o}

kWh pago é abaixo do valor que é ofertado pela concession ária que est á comprando este excedente, o que é visto como uma desvantagem comercial para quem produz energia (HWANG et al., 2017).

Em pa´ıses que s ó permitem a compensaç ão de energia gerada por cr édito, como é o caso do Brasil, o retorno do investimento em geraç ão pr ópria de energias renov áveis é comprometido negativamente, visto que, de acordo com indicadores 1_{Prosumers é um neologismo do ingl ês que une as palavras Producer (Produtor) e Consumer}

(Consumidor).

2_{A tarifa de contrato de oferta padr ão, do ingl ês Feed-In Tariff, é uma pr ática de pol´ıtica}

p ública utilizada para incentivar a utilizaç ão de energias renov áveis no sistema el étrico ao pre-miar financeiramente o produtor de energia renov ável que devolver à rede el étrica uma parcela de energia gerada provindas de fontes renov áveis de energia. Ou seja, existe uma compensaç ão monet ária para quem injeta pot ência gerada na rede por meio de fontes de energia distribu´ıdas e renov áveis (VIEIRA et al., 2016).

(16)

1 Introduc¸ ˜ao 14

econ ômicos simples (como exemplo o Payback3, TIR4 e VPL5) demonstra que sis-temas adquiridos com a intenç ão de investimento s ó iniciam a dar lucro em um longo per´ıodo se comparado com pa´ıses que adotam as tarifas do tipo feed-in (ZHANG et al., 2018).

Devido às condiç ões vigentes, em que os consumidores que possam pro-duzir a pr ópria energia t êm opç ões limitadas de negociar essa energia gerada, n ão tardou para que novas modalidades de negociaç ão de energia surgissem e outras ar-quiteturas de negociaç ão pudessem ser inseridas no ambiente de geraç ão, com ércio e distribuiç ão de energia, um ambiente que é conhecido tradicionalmente por ser centra-lizado em quase todos os seus processos. Novas arquiteturas nascem para suportar novos modelos de negociaç ão que reflitam as necessidades atuais dessa nova moda-lidade de agentes em sistemas de energia (HWANG et al., 2017).

Os prosumers se enquadram como agentes tanto na configuraç ão de siste-mas descentralizados como em sistesiste-mas distribu´ıdos. As duas arquiteturas permitem com que haja negociaç ão com mais de um gerador ou consumidor de energia el étrica, que é justamente o que ocorre com a inserç ão dos Recursos Distribu´ıdos de Energia (DERs) nos sistemas de pot ência.

O crescimento da conex ão dos DERs com a rede, a reduç ão de custos de produç ão de pain éis fotovoltaicos e a forte tend ência mundial de serviços basea-dos em economia compartilhada permite que a arquitetura peer-to-peer se apresente como uma nova perspectiva de como a energia pode ser comercializada e distribu´ıda, tanto em quest ão t écnica-operacional como econ ômica e regulat ória (LIU et al., 2017).

A arquitetura peer-to-peer (P2P) é um modelo descentralizado de negocia-ç ão em que dois indiv´ıduos interagem para vender ou comprar bens ou servinegocia-ços sem necessitar de um agente intermedi ário (ZHANG et al., 2018).

O conceito de P2P é uma realidade estabelecida em outros setores da eco-nomia global de serviços e est á sendo inserida dentro da realidade de comercializaç ão de energia para aproveitar o uso de energias renov áveis locais. Pa´ıses como Reino 3_{Retorno, do ingl ês Payback, é um indicador econ ˆ}_{omico utilizado para calcular o per´ıodo de}

retorno de um investimento aplicado.

4_{Taxa Interna de Retorno (TIR) ´e um indicador utilizado em an ´alise de viabilidade de}

inves-timentos que analisa quanto um empreendimento pode render ao considerar um fluxo de caixa descontado continuamente durante um per´ıodo fixo de tempo.

5_{Valor Presente L´ıquido (VPL) é um m étodo utilizado tamb ém para an álise de viabilidade de}

projetos que adianta todos os fluxos de caixa de um projeto para a data zero (Condiç ões atuais no momento em que se faz a an álise do projeto, considerando a depreciaç ão do empreendimento e o valor do dinheiro utilizado para an álise) aplicando uma taxa de m´ınima de atratividade para o desconto do fluxo de caixa de refer ência.

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Unido, Alemanha e Holanda j á adotam sistemas em fase de testes que incorporam essa filosofia em que os prosumers possam explorar novas opç ões de utilizaç ão de excedentes de geraç ão ou comercializarem melhores preços para utilizaç ão de ener-gia (ZHANG et al., 2018).

Um sistema de energia el étrica tradicional é caracterizado por ser centra-lizado em diversas etapas dentro do processo de transfer ência de energia aos con-sumidores, sobretudo na etapa de distribuiç ão. Isso faz com que um único agente controle todas as transaç ões comerciais que s ão realizadas na rede (TOLMASQUIM, 2015;MAYON; PARODI, 2018).

Dentro de uma nova realidade poss´ıvel de sistema de energia el étrica, um novo ambiente de comercializaç ão de energia el étrica n ão é s ó sustentado por uma nova arquitetura de negociaç ão: deve haver uma estrutura que reflita condiç ões de negociaç ão para todos os agentes presentes na rede.

As novas estruturas em microrredes se encaixam neste novo paradigma pois potencializam a otimizaç ão de gerenciamento de sistemas el étricos para econo-mizar ainda mais em contas de energia entre as microrredes envolvidas (ZHANG et al., 2018).

Alam et al. (2017), com o objetivo de introduzir diversas tend ências em gerenciamento de sistemas de energia, demonstram um trabalho que une sistemas de gerenciamento pelo lado da demanda (Demand Side Management) associados com o conceitos de redes inteligentes (Smart Grids) para minimizaç ão do custo da energia.

Com o cen ário desenhado para transaç ões cada vez mais bidirecionais en-tre consumidores e geradores de energia, todos esses caracterizados como prosu-mers, conforme mencionado anteriormente, h á a necessidade de criar um ambiente de negociaç ão que permita confiança entre os envolvidos na negociaç ão bem como proteç ão contra fraudes aos envolvidos, problema comum em arquiteturas P2P.

Nakamoto (2009) prop ôs uma criptomoedam denominada Bitcoin, em um ambiente de negociaç ão por meio de uma tecnologia denominada Blockchain, carac-terizados como uma rede de computadores com bancos de dados distribu´ıdos em que ocorrem as transaç ões e verificaç ões entre os envolvidos nas negociaç ões do ativo em quest ão, que funciona com base na natureza descentralizada da rede, ou seja, sem intermedi ários, consensos entre os contratos estabelecidos e com criptografia para proteç ão dos dados envolvidos (IMBAULT et al., 2017). Potencialmente, o Blockchain

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pode ser aplicado em diversas áreas econ ômicas como sistemas banc ários, serviços p úblicos, governamentais e aplicaç ões envolvendo IoT (Internet of Things6_).

A discuss ão sobre a relev ância do Blockchain nas ind ústrias, independente dos setores relacionados, ainda é especulativa, do ponto de vista de aplicaç ões em larga escala e de que forma as suas vantagens podem contribuir para a melhora de serviços de maneira geral (MYLREA; GOURISETTI, 2017).

Com o objetivo de clarear as possibilidades de aplicaç ão de tecnologia como o Blockchain, a empresa de consultoria Gartner emitiu em 2018 um relat ório so-bre a tend ência de tecnologias emergentes, em que essas tecnologias em alto estado especulativo e com altas expectativas por parte da m´ıdia e da ind ústria s ão classifica-das em cinco estados de maturaç ão e adoç ão (GARTNER, 2018). Estes cinco estados s ão definidos em um ciclo denominado Hype7_{Cycle que est á exposto na Figura 1.}

Plataformas de falas em AI Displays Voluméricos

Robôs Autônomos

AIcomo Plataforma de Serviço Interface Computador-cérebro Ambientes de Trabalho Inteligentes

Robôs Inteligentes Computação Quântica

Blockchain para segurança de dados

Engenharia neuromórfica

Poeira Inteligente

Tecidos Biológicos Artificiais Carros Autônomos Voadores

Inteligência ArtificialGeral Impressão 4D

Aprimoramento Humano Limite da Inteligência Artificial

5G Gêmeo digital

Nanotubos de carbono

Plataformas de IoT (Internetdas Coisas) Assistentes virtuais

Baterias de ânodo de silício

Casa Conectada/Inteligente Direção Autônoma Nível4 Direção Autônoma Nível5 _Real_i_dade_Mi_st_a

Realidade Aumentada

Gatilho da inovação

Auge das expectativas

infladas Vale da desilusão Aclive da iluminação Plateau de produtividade Tempo Ex pe ct at iv as menos de 2 anos 2 a 5 anos 5 a 10 anos mais de 10 anos

Plateau vaiseralcançado em:

Julho de 2018

Figura 1: Hype Cycle das tend ˆencias tecnol ´ogicas emergentes. Fonte: Adaptado de Gartner (2018).

Com refer ência à Figura 1, os cinco est ágios do Hype Cycle s ão oGatilho

6_{Internet das Coisas, do ingl ês Internet of Things, é um conceito em que v ários}

dispositi-vos eletr ônicos se conectam a internet para se integrar com outros sistemas. O Blockchain é relacionado com esse conceito pois é poss´ıvel gerenciar dados de cobrança por uso de um dis-positivo oferecendo todas as vantagens de uma rede em Blockchain: transaç ões criptografadas, inviol áveis e confi áveis.

7_{Hype ´e o uso excessivo de publicidade e propaganda para fazer pessoas se interessarem}

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1 Introduç ão 17 de Inovaç ão (Avanço inicial da tecnologia), Auge das expectativas infladas (Alta

atenç ão da m´ıdia e interesse popular, tecnologia em desenvolvimento),Vale da desi-lus ão (Frustraç ão das expectativas populares e perda de interesse popular), Aclive da iluminaç ão (Sem a atenç ão da m´ıdia popular, o progresso de trabalho na tecnologia

é convertido em avanços significativos e relevantes para a comunidade acad êmica) e oPlateau8 _{de produtividade (Tecnologia alcança estabilidade e seus benef´ıcios s ão}

amplamente demonstrados) (GARTNER, 2018).

Verifica-se pela Figura 1 com base no relat ório emitido pela Gartner, que o Blockchain encontra-se na terceira fase do ciclo e que alcançar á o seu plateau entre 5 e 10 anos, o que reafirma o seu estado especulativo e indica que sua adoç ão em ind ústrias é um t ópico ainda em discuss ão (GARTNER, 2018). Entretanto, diversos es-tudos j á indicam haver espaço para esse tipo de tecnologia dentro do setor de energia el étrica (GORANOVIC et al., 2017; SALEME et al., 2018; XUE et al., 2017; MUNSING et al., 2017).

Sendo assim, a utilizaç ão de sistemas em Blockchain é uma forte tend ência tecnol ógica, visto que se encaixa em diversas ind ústrias que potencialmente est ão prop´ıcias a serem adaptadas para um sistema P2P (MYLREA; GOURISETTI, 2017). Sendo o sistema de energia el étrica convencional totalmente centralizado e com possibilida-des de inserç ão de novos agentes comercializadores na rede, a tecnologia é aplic ável. Um sistema de energia el étrica que se desenha com base nas tend ências tecnol ógicas e mercadol ógicas deve ser ”descentralizado, integrado com diversas fon-tes de energia, com ger ência do sistema baseado em computaç ão na nuvem9_{, flex´ıvel}

e seguro”(MYLREA; GOURISETTI, 2017, p. 3). A estrutura de comercializaç ão e distribui-ç ão de energia que este trabalho deseja explorar est á dentro desse sistema-modelo de refer ência.

Com base nas tend ências de modelos de sistemas de energia em P2P e com a integraç ão da tecnologia de Blockchain, o trabalho aqui apresentado se carac-teriza como uma an álise geral sobre a tecnologia de Blockchain aplicada aos sistemas de energia el étrica, no modelo de comercializaç ão em arquitetura P2P, explorando a possibilidade de aplicaç ão dessa arquitetura e tecnologia no contexto do Brasil com inspiraç ões em modelos e experi ências de implementaç ão internacionais.

8_{Per´ıodo em que n ão h á mudanças significativas}

9_{Computaç ão na nuvem é um conceito de rede em que toda a utilizaç ão de dados dispon´ıveis}

de aplicaç ão est á armazenada em computadores ou servidores compartilhados e descentraliza-dos. Todo acesso é feito atrav és de comunicaç ão pela internet, diferente de sistemas convenci-onais que se comunicam com um servidor local.

(20)

1.1 Objetivos 18

1.1 OBJETIVOS

Apresentam-se, portanto, o objetivo geral definido para esse trabalho, bem como os objetivos espec´ıficos necess ário para alcanç á-lo.

1.1.1 OBJETIVO GERAL

Apresentar uma an álise sobre as perspectivas t écnicas e regulat órias para aplicaç ão da tecnologia Blockchain para comercializaç ão de energia el étrica entre mi-crorredes.

1.1.2 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS

• Caracterizar as microrredes no contexto da geraç ão distribu´ıda de energia el étrica e na transformaç ão estrutural do mercado de energia;

• Caracterizar os princ´ıpios da tecnologia Blockchain e suas aplicaç ões no con-texto da comercializaç ão de energia el étrica;

• Analisar casos internacionais da aplicaç ão do Blockchain na comercializaç ão de energia el étrica entre microrredes em arquitetura P2P;

• Identificar marco regulat ório brasileiro acerca da comercializaç ão de energia e de microrredes independentes;

• Discutir o potencial de aplicaç ão do Blockchain no âmbito da comercializaç ão de energia el étrica no Brasil.

1.2 JUSTIFICATIVA

Os avanços tecnol ógicos na área de sistemas de informaç ão, a diminuiç ão dos custos de geraç ão da energia renov ável, com enfoque especial para a energia solar fotovoltaica, com subs´ıdios e incentivos governamentais em diversos pa´ıses e a adequaç ão de estruturas regulat órias para receber esse aumento de energia re-nov ável, forneceram base para um fen ômeno que remonta às origens dos sistemas de distribuiç ão de energia el étrica, quando esse era majoritariamente descentralizado e aguardava inovaç ões operacionais para se expandir (BAKKE, 2016).

A descentralizaç ão da geraç ão de energia el étrica em uma economia co-nectada e moderna trouxe possibilidades al ém do campo da sustentabilidade e da

(21)

1.3 Estrutura da monografia 19

atuaç ão mais pr óxima do consumidor, antes somente final, de energia el étrica ao per-mitir a ascens ão de novas estruturas de redes, como as microrredes.

Ainda nessa conjuntura, a possibilidade de novas formas de se comerci-alizar de energia el étrica convida a academia e a ind ústria a rediscutir o formato de estrutura do mercado de energia e a discuss ão da inserç ão de novos agentes nesse mercado. Com todos os avanços tecnol ógicos e o cen ário prop´ıcio de um mercado descentralizado de energia el étrica, o Blockchain se apresenta como uma tecnologia que pode contribuir para estabelecer um novo paradigma no que tange ao com ércio de energia.

Sendo assim, a verificaç ão de como o Blockchain pode contribuir como base para comercializaç ão de energia el étrica entre microrredes e analisar quais s ão as possibilidades e desafios no âmbito t écnico e regulat ório pode auxiliar na maturaç ão e adaptaç ão da pr ópria tecnologia ao acelerar a sua adoç ão pelo setor de energia el étrica de maneira gradual, respeitando os limites regulat órios, padr ões normativos e demandas mercadol ógicas e comerciais.

1.3 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA

No cap´ıtulo 2 apresenta o um estudo sobre os principais t ópicos que funda-mentam a comercializaç ão de energia el étrica, como arquiteturas de redes, microrre-des e peer-to-peer, e associar com a tecnologia Blockchain aplicada ao setor el étrico. No cap´ıtulo 3 descreve o enquadramento metodol ógico para a seleç ão da bibliografia utilizada para a realizaç ão do trabalho, bem como as etapas da pesquisa, crit érios de seleç ão e coleta de artigos e an álise de dados.

No cap´ıtulo 4 apresenta os resultados obtidos com a revis ão sistem ática dos dados de pesquisa e a discuss ão com relaç ão ao progresso da tecnologia Block-chain no contexto de comercializaç ão entre microrredes e desafios a serem superados no âmbito t écnico e regulat ório.

No cap´ıtulo 5 aborda as conclus ões com relaç ão ao tema elaborado e a sugest ão de trabalhos futuros relacionados.

(22)

20 2 FUNDAMENTAÇ ÃO TE ÓRICA

2.1 ARQUITETURAS DE REDES DE ENERGIA EL ´ETRICA

Nessa seç ão, discute-se os pontos cr´ıticos que fundamentam e comp õem as novas proposiç ões de arquiteturas de redes de energia el étrica: geraç ão distribu´ıda, microrredes, comercializaç ão de energia e a tecnologia Blockchain. Sendo assim, é v álido introduzir inicialmente o conceito de geraç ão distribu´ıda que corresponde a base te órica do presente trabalho e, posteriormente, os elementos que se beneficiaram com o aumento desta.

2.1.1 GERAÇ ÃO DISTRIBUÍDA

Uma pesquisa realizada em 2013 relatou que 94% dos executivos senio-res do setor de concession árias e serviços relacionados a energia el étrica ”preveem que haver á uma completa transformaç ão ou importantes mudanças no modelo de neg ócios das concession árias”at é 2030 (PWC, 2013). Essas mudanças est ão intrinsi-camente relacionadas com o aumento do fluxo de geraç ão de energia distribu´ıda em que sistemas de pot ência em diversos pa´ıses est ão sendo submetidos (BURGER; LUKE, 2017).

N ão h á uma definiç ão internacionalmente aceita com relaç ão ao termo de geraç ão distribu´ıda que se relacione com as situaç ões em que essas fontes se co-nectam ao sistema de pot ência est ão limitadas à regulaç ão imposta pela legislaç ão vigente no espaço, o que impossibilita traçar uma linha m édia de um conceito que estabeleça qual é a finalidade desses recursos distribu´ıdos na rede el étrica (BURGER; LUKE, 2017; MEHIGAN et al., 2018). A definiç ão comumente usada para geraç ão dis-tribu´ıda é apresentada no trabalho de Vaziri et al. (2011),

Geraç ão distribu´ıda é uma fonte de geraç ão conectada à rede direta-mente ao n´ıvel de tens ão relacionado com a distribuiç ão ou pelo lado de mediç ão do consumidor.

Entretanto, a definiç ão utilizada nesse trabalho para geraç ão distribu´ıda deve se sobrepor as quest ões regulat órias at é ent ão, visto que o objetivo é identificar

(23)

2.1 Arquiteturas de redes de energia el ´etrica 21

quais s ão as potencialidades desses recursos para novas modalidades de transaç ão de energia el étrica.

Sendo assim, adota-se a definic¸ ˜ao mais delimitada de Mehigan et al. (2018),

Geraç ão distribu´ıda é uma fonte de geraç ão de energia el étrica, que

tamb ´em pode ser considerado um DER1, que ´e conectada a rede de

distribuiç ão el étrica pelo lado de mediç ão do consumidor ou isolado da rede para atender a demanda que lhe é exigida.

Comumente, geraç ão distribu´ıda tamb ém pode ser associada como um sin ônimo de recursos de energia distribu´ıdos (DER). Para o presente trabalho, isso ser á tratado como verdadeiro para abranger todas as possibilidades de operaç ões em que fontes de energia el étrica s ão conectadas à rede, sem distinguir a natureza da fonte (MEHIGAN et al., 2018).

No contexto de geraç ão distribu´ıda, a caracterizaç ão que ser á utilizada para classificar o montante de pot ência de pequeno porte gerado, micro e minigeraç ão de energia, ser á referente à definiç ão proposta pela ANEEL (2014), ao definir que,

A microgeraç ão distribu´ıda refere-se a uma central geradora de ener-gia el étrica, com pot ência instalada menor ou igual a 100 quilowatts (kW), enquanto que a minigeraç ão distribu´ıda diz respeito às centrais geradoras com pot ência instalada superior a 100 kW e menor ou igual

a 1 megawatt (MW) (ANEEL, 2014, p. 11).

Sendo assim, para todos os efeitos, todas as DERs tratadas no presente trabalho ser ão delimitadas e ter ão suas caracter´ısticas definidas pela ANEEL como micro ou minigeraç ão.

Com a utilizaç ão de DERs dispon´ıveis para comercializar energia el étrica, a possibilidade da geraç ão de energia estar pr óxima do local em que deva ser atendida a demanda permite criar uma pequena estrutura semelhante à rede de distribuiç ão convencional, por ém miniaturizada: as microrredes.

2.1.2 MICRORREDES

De acordo com a definiç ão do PRODIST, documento elaborado pela Ag ência Nacional de Energia El étrica (ANEEL) que cont ém os procedimentos relacionados à distribuiç ão no sistema el étrico nacional, microrrede pode ser definido como:

Rede de distribuiç ão de energia el étrica que pode operar isoladamente do sistema de distribuiç ão, atendida diretamente por uma unidade de

gerac¸ ˜ao distribu´ıda. (ANEEL, 2015, p. 43)

(24)

Entretanto, segundo Bellido et al. (2018), a definiç ão de microrrede definida pelo PRODIST é caracterizada como incipiente no âmbito regulat ório e n ão abrange todas as possibilidades atuais de uma microrrede do ponto de vista mercadol ógico de energia el étrica.

Para o presente trabalho, al ém da sua principal funç ão de operar de forma isolada do sistema de pot ência, a definiç ão de microrrede deve abranger suas outras funç ões e modelos que permitem a venda de sua energia e/ou serviços para seus consumidores, distribuidoras e outras microrredes e que n ão se restrinjam somente em auxiliar a distribuidora de energia el étrica local em suas atividades (BELLIDO et al., 2018;PARK; YONG, 2017).

Sendo assim, conforme Bellido et al. (2018), a definiç ão de microrrede é complementada à definiç ão proposta pelo PRODIST e definida para o presente traba-lho como:

Grupo de cargas interconectadas e de recursos de energia distribu´ıdos (DER) que age como uma entidade ´unica control ´avel com respeito a

rede de energia el ´etrica atrav ´es de um ponto de acoplamento comum2

(BELLIDO et al., 2018).

Do ponto de vista operacional e gerencial, as microrredes evolu´ıram com os avanços da tecnologia da informaç ão ao serem produzidos medidores inteligentes e equipamentos que permitissem maior conectividade entre dispositivos (TEOTIA; BHA-KAR, 2016). A uni ão dos os avanços da tecnologia da informaç ão e as microrredes tem como resultado o estabelecimento das smart grids e, com isso, o surgimento da possi-bilidade de comercializaç ão de energia el étrica entre arquiteturas de redes (GIOTITSAS et al., 2015).

O modelo mais expoente de arquitetura de redes computacionais s ão as baseadas em peer-to-peer, que ser á explanada na pr óxima subseç ão.

2.1.3 PEER-TO-PEER

De acordo com Park e Yong (2017), o formato ponto-a-ponto3_{(P2P) se}

re-fere à noç ão de que, em uma rede conectada como a internet, existem peers (Pontos) que se comportam como clientes ou servidores simultaneamente, trocando e compar-tilhando informaç ões.

2_{O ponto de acoplamento comum (PAC) é um ponto de operaç ão no sistema el étrico de}

pot ência onde m últiplos consumidores ou m últiplas cargas podem ser conectadas. (PAC) (APQ, 2018)

(25)

Diferente de arquiteturas de rede unidirecionais como as tradicionais Busi-ness-to-Consumer (B2C), em que o fluxo de informaç ão origina de poucos provedores para uma quantidade enorme de consumidores ou usu ários, todos os participantes da rede P2P participam e utilizam as informaç ões da rede, tanto provedores como consumidores (PARK; YONG, 2017).

Dado o novo contexto gerado pelo aumento de fornecimento de DER e as contribuiç ões das tecnologias dos sistemas de informaç ão para as microrredes, conforme mencionado na subseç ão 2.1.2, o conceito de redes em P2P se estende para o sistema de distribuiç ão de energia el étrica. O conceito de Internet da Energia4

une todas as vantagens de uma rede conectada e aplica a possibilidade de transaç ão de informaç ão e de energia el étrica entre todos os seus agentes participantes, similar ao conceito tradicional de redes de computadores (GIOTITSAS et al., 2015; BELL; GILL, 2018).

(a) (b)

Figura 2: Em (a), o conceito de Internet da Energia como troca de energia el étrica e dados relacionados em uma pequena escala e, em (b), a representaç ão da troca de energia el étrica em comunidades em m édia ou larga escala.

Fonte: Adaptado de Park e Yong (2017).

Na Figura 2 é representado de forma gr áfica o conceito de energia da in-ternet como exemplificaç ão e relaç ão com as redes P2P convencionais. Na 2(a) é a representaç ão com a possibilidade de transaç ão de energia el étrica entre vi-zinhos, em uma esp écie de microrrede inteligente adaptada para essa modalidade de comercializaç ão descentralizada. J á na Figura 2(b), a uni ão de v árias micror-redes inteligentes pr óximas podem se conectar para formar um grande grupo de comercializaç ão local de energia el étrica, possibilidade que tamb ém é poss´ıvel dentro 4_{Do ingl ês, Energy Internet.} _{H á varias refer ências ao mesmo conceito mas com outra}

denominaç ão, como P2P Electricity, Energy Sharing e outros conceitos superiores que englo-bam a ideia de se utilizar de uma rede compartilhada e descentralizada para transaç ões de informaç ões e outros produtos (PARK; YONG, 2017). O conceito mais famoso é o de Economia

(26)

2.2 Comercializaç ão de energia el étrica 24

do contexto de P2P.

Verifica-se que, conforme apresentado anteriormente o conceito de P2P, cada usu ário de uma rede pode agir como um provedor ou usu ário de energia el étrica. Dentro da l ógica de comercializaç ão de energia el étrica, com pap éis que s ão divididos entre produtores e consumidores de energia el étrica, h á de existir a possibilidade de que alguns agentes possam agir das duas formas (PARK; YONG, 2017).

Dessa forma, surge o prosumer, um novo agente no setor de energia el ´etrica que atende a essa demanda estrutural e que assume a possibilidade de agir com base nessas modalidades de produtor e consumidor de energia.

2.1.3.1 PROSUMERS

Com a inserç ão frequente e a popularizaç ão de geraç ão renov ável e inter-mitente na rede de energia el étrica, que ocorre em v ários pa´ıses, incluindo o Brasil, os consumidores de energia el étrica convencionais podem se transformar em prosumers, atuando tanto como geradores como consumidores de energia el étrica (HWANG et al., 2017;MILLER; SENADEERA, 2017).

Os prosumers t êm seu papel fundamental nesse formato de transaç ão co-mercial e do fluxo de pot ência em uma rede pois, al ém da transfer ência de energia e dados em uma rede comum, podem viabilizar novos modelos de comercializaç ão de energia el étrica e auxiliar na otimizaç ão do fluxo de pot ência que, atualmente em v ários pa´ıses, é uma funç ão exclusiva das concession árias (MILLER; SENADEERA, 2017; GIOTITSAS et al., 2015).

2.2 COMERCIALIZAÇ ÃO DE ENERGIA EL ÉTRICA

Como o presente trabalho deseja explorar as condiç ões relacionadas à comercializaç ão de energia el étrica, é v álido discutir a sua estrutura tradicional gen érica e como que o aumento da oferta de DERs e as estruturas de microrredes contribuem para novos modelos de transaç ões entre produtores e consumidores relacionados com a microgeraç ão de energia el étrica.

2.2.1 AGENTES INSTITUCIONAIS DO SETOR EL ´ETRICO BRASILEIRO

Antes de discutir as estruturas gen éricas definidas, apresentam-se os agen-tes institucionais do setor el étrico brasileiro com o prop ósito de se discutir

(27)

posterior-2.2 Comercializaç ão de energia el étrica 25

mente as suas responsabilidades e poss´ıveis futuras atribuic¸ ˜oes em um modelo de mercado de energia descentralizado.

O novo modelo do setor el étrico, vigente desde 2003 por meio da medida provis ória de no_{144/2003, est á institu´ıdo pelos seguintes agentes institucionais e suas}

principais compet ˆencias segundo o Quadro 1.

Quadro 1: Agentes institucionais do setor el ´etrico brasileiro

Org ão Funç ão

Conselho Nacional de Pol´ıtica Energ ´etica (CNPE)

Proposiç ão de pol´ıticas e diretrizes relacionadas ao setor el étrico brasileiro Minist ério de

Minas e Energia (MME)

Formulaç ão e implantaç ão de pol´ıticas no setor energ ético, de acordo

com as diretrizes do CNPE Comit ˆe de Monitoramento

do Setor El ´etrico (CMSE)

Monitorar a continuidade e seguranc¸a do suprimento eletroeneg ´etico

Ag ˆencia Nacional

de Energia El ´etrica (ANEEL)

Regular e fiscalizar a produç ão, transmiss ão distribuiç ão e comercializaç ão de energia el étrica

Empresa de Pesquisa Energ ´etica (EPE)

Realizar estudos e pesquisas para apoio t écnico ao planejamento estrat égico C âmara de Comercializaç ão

de Energia El ´etrica (CCEE)

Respons ável pela viabilizaç ão de comercializaç ão de energia el étrica no Sistema Interligado Nacional (SIN) Operador Nacional

do Sistema El ´etrico (ONS)

Exerce o supervisionamento, controle e coordenac¸ ˜ao do SIN

Fonte: Adaptado de Tolmasquim (2015)

Os agentes institucionais seguem uma hierarquia com relaç ão a elaboraç ão de diretrizes e normas at é a operacionalizaç ão destas. Portanto, os agentes apresen-tados, suas relaç ões de hierarquia e a suas classificaç ões de atividades est ão esque-matizados conforme a Figura 3.

(28)

2.2 Comercializaç ão de energia el étrica 26 CNPE Conselho Nacional de Política Energética MME Ministério de Minas e Energia CMSE Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico EPE Empresa de Pesquisa Energética Atividades de Governo Atividades Regulatórias Atividades Especiais Órgãos vinculados Relação de hierarquia

Figura 3: Agentes institucionais do setor el ´etrico. Fonte: Adaptado de Tolmasquim (2015).

Segundo Tolmasquim (2015), classifica-se esses agentes em tr ês grupos: Atividades de governo, Atividades regulat órias e atividades especiais. Estas est ão relacionadas como:

• Atividades de governo: relacionadas com a pol´ıtica de comando, de iniciativa, de fixaç ão de objetivos do Estado e de manutenç ão da ordem jur´ıdica.

• Atividades regulat órias: relacionadas com a asseguraç ão da disciplina dos servi-ços p úblicos e das atividades reservadas, tais como a geraç ão de energia el étrica, a qualquer t´ıtulo, e a comercializaç ão, seja norteada por crit érios n ão exclusiva-mente pol´ıticos.

• Atividades especiais: No Brasil, s ão atividades relacionadas com a operaç ão do sistema el étrica e a operacionalizaç ão da comercializaç ão de energia el étrica. S ão desempenhadas por pessoas jur´ıdicas de direito privado que desempenham funç ões de interesse p úblico.

No âmbito desse trabalho, os órg ãos apresentados s ão respons áveis pelas pol´ıticas regulat órias, operacionais e comerciais relacionadas com o tema de energia el étrica. S ão esses órg ãos que estruturam o mercado de energia el étrica e regulam sua operaç ão para fornecer energia el étrica de qualidade para o uso p úblico.

(29)

2.2.2 MERCADO DE ENERGIA TRADICIONAL

O mercado de energia tradicional5_{(TEM) representa o resultado da}

integra-ç ão tradicional entre os agentes de energia el étrica (Geraintegra-ç ão, transmiss ão, distribuiintegra-ç ão) e consumidores refletida em seus pap éis comerciais (Produtores, comerciantes, vare-jistas e consumidores.) (TEOTIA; BHAKAR, 2016).

Os agentes b ´asicos participantes dessa estrutura tradicional, simplificados e relacionados com a estrutura brasileira, s ˜ao:

• Companhias geradoras (GENCO): Geradores, usinas e todas as atividades rela-cionadas;

• Companhias de distribuiç ão (DISCO): Concession árias e operadoras do sistema de distribuiç ão e todas as atividades relacionadas;

• Consumidores Livres6_{: Consumidores com carga e atendimento de tens ˜ao el ´etrica}

suficientes para serem atendidos diretamente por agentes geradores;

• Consumidores: Usu ários do sistema el étrico que n ão atendem aos requisitos de demanda e tens ão el étrica para negociar diretamente com GENCOs e, quando tem, n ão optam por essa modalidade.

Segundo Teotia e Bhakar (2016), é poss´ıvel simplificar dois mercados em que ocorrem a realizaç ão, de fato, da comercializaç ão de energia el étrica. Estes mer-cados s ão o mercado de atacado e o mercado de varejo.

O mercado de atacado corresponde ao ambiente em que contratos de ener-gia el étrica por meio de leil ões e contratos bilaterais de enerener-gia el étrica entre DISCOs, GENCOs e Consumidores livres7s ão firmados para realizar as transaç ões de energia el étrica (TEOTIA; BHAKAR, 2016).

Ainda segundo Teotia e Bhakar (2016), as caracter´ısticas principais do mer-cado de atamer-cado, nota-se:

5_{TEM, do ingl ˆes Traditional Energy market.}

6_{No Brasil, Consumidor livre é aquele que, atendido em qualquer tens ão, exerceu a opç ão}

de compra de energia el étrica, nas condiç ões previstas nos artigos 15 e 16 da Lei de no _9.074,

que regulamenta a comercializaç ão livre de energia el étrica. Suas caracter´ısticas s ão definidas por ter uma carga de 3 MW ou maior e a tens ão de 69 kV ou superior. Sua atuaç ão depende exclusivamente de um agente comercializador intermedi ário para a efetivaç ão de contratos de energia el étrica (TOLMASQUIM, 2015).

7_{Esses necessitam de um agente comercializador, atuando como intermedi ´ario, para realizar}

(30)

• A impossibilidade de pequenos consumidores escolherem a DISCO de melhor interesse;

• A volatilidade do preço de energia dependendo das limitaç ões e restriç ões dos agentes relacionados com a transmiss ão de energia el étrica;

• A dif´ıcil integraç ão de fontes de energia vari ável ou renov ável devido a sua de-pend ência de garantias f´ısicas para definir um custo marginal de operaç ão.

No Brasil, essas garantias s ão realizadas e efetivadas dentro de ambien-tes regulados de comercializaç ão, o Ambiente de Contrataç ão Regulada (ACR) e o Ambiente de Contrataç ão Livre (ACL), ambos viabilizados pela CCEE (TOLMASQUIM, 2015).

J á o mercado de varejo corresponde ao ambiente do mercado que é con-siderado uma segunda inst ância em relaç ão aos contratos de energia, esses sujeitos a riscos assumidos pelas DISCOs com o objetivo de atender os consumidores (TE-OTIA; BHAKAR, 2016; TOLMASQUIM, 2015). De acordo com Teotia e Bhakar (2016) e Tolmasquim (2015), as caracter´ısticas mercadol ógicas do mercado de varejo dentro da estrutura tradicional de comercializaç ão de energia el étrica s ão:

• Os contratos s ˜ao realizados de maneira bilateral entre DISCOs e consumidores por meio de uma fatura de energia el ´etrica baseada em seu consumo;

• Prec¸o fixado para atender os consumidores, o que retira a oportunidade desses de se beneficiar com o custo baixo de energia durante o baixo pico de carga demandada;

• No caso do Brasil, a impossibilidade de um consumidor ordin ´ario contratar outras concession ´arias torna o mercado de energia menos competitivo e que resulta em

ˆonus financeiro aos consumidores;

• O custo da transmiss ão e transmiss ão sempre ser ão repassados ao consumidor final.

A estrutura de um mercado de energia el étrica tradicional, dada as suas funç ões e agentes explanados anteriormente, é apresentada na Figura 4.

(31)

GENCO GENCO GENCO

DISCO DISCO GENCO DISCO Consumidor Livre Rede de distribuição

Consumidor Consumidor Consumidor Rede de transmissão

Fluxo de potência Mercado de atacado

Mercado de varejo

Figura 4: Estrutura do mercado tradicional de energia el ´etrica.

Fonte: Adaptado de Teotia e Bhakar (2016).

2.2.3 MERCADO DE ENERGIA LOCAL

O mercado de energia local8 _{(LEM) representa uma estrutura proposta}

gen érica considerando que haja uma terceira inst ância de negociaç ão de energia el étrica como uma segunda opç ão aos consumidores que n ão s ão considerados li-vres.

Al ém dos agentes apresentados na subseç ão 2.2.2 e devido a presença do mercado local, os novos participantes dessa estrutura local s ão:

• Prosumer : Agente que é, ao mesmo tempo, consumidor e produtor de energia el étrica (Conforme subseç ão 2.1.3.1);

• Pequenas unidades geradoras: Agentes relacionados com a minigeraç ão de energia el étrica, que tamb ém podem ser referenciados como DERs (Ver subseç ão 2.1.1);

• Operador de mercado (Ou operador de sistema): Agente que intermedia os flu-xos de pot ência entre consumidores, prosumers e pequenas unidades geradoras para otimizaç ão do fluxo de pot ência.

Para facilitar a visualizaç ão da proposta de uma estrutura de mercado des-centralizada do ponto de vista da distribuiç ão, apresenta-se a Figura 5.

(32)

GENCO GENCO GENCO

DISCO DISCO GENCO DISCO Consumidor Livre Rede de distribuição Operador do mercado Pequenas unidades geradoras Prosumer Rede de transmissão Fluxo de potência Mercado de atacado Mercado de varejo Mercado local Consumidor Consumidor

Figura 5: Estrutura do mercado de energia el ´etrica com arranjo de um mercado local.

Fonte: Adaptado de Teotia e Bhakar (2016).

O operador de mercado, agente citado anteriormente, n ão tem uma defini-ç ão e fundefini-ç ão amplamente aceita, visto que depende das condidefini-ç ões regulat órias do sis-tema de pot ência aplicado e de outros agentes que variam conforme essas regulaç ões e outras situaç ões locais (BELL; GILL, 2018;TEOTIA; BHAKAR, 2016).

Com relac ão à distribuiç ão de responsabilidades de operaç ão e manutenç ão da rede de distribuiç ão, alguns trabalhos tratam o operador de mercado como uma ramificaç ão de uma concession ária de distribuiç ão de energia, com a responsabili-dade de gerenciar o fluxo de pot ência entre os agentes do mercado local com base na disponibilidade de DERs. Para as DISCOs, a responsabilidade se limita a manutenç ão das redes de distribuiç ão local e atividades correlatas (BELL; GILL, 2018; TEOTIA; BHA-KAR, 2016;TOLMASQUIM, 2015).

Um operador de mercado, como respons ável pela coordenaç ão desses re-cursos, trabalha em conjunto com a DISCO para otimizar o fluxo de pot ência dentro desse mercado local. Dependendo da estrutura regulada, uma mesma entidade pode fazer o papel dos dois agentes, como ocorreria no Brasil (TEOTIA; BHAKAR, 2016; TOL-MASQUIM, 2015;MAYON; PARODI, 2018). Uma exemplificaç ão do design dessa estrutura local pode ser verificada na Figura 6.

(33)

2.2 Comercializaç ão de energia el étrica 31 Operador do mercado Fluxo de informação e potência Mercado local Agregador DISCO Controlador local da rede (n) Armazenamento de energia DERs Prosumers (Industriais e comerciais) Consumidores (Industriais e comerciais) Controlador local da rede (n+1) Armazenamento de energia DERs Prosumers (Industriais e comerciais) Consumidores (Industriais e comerciais) ...

Figura 6: Design de um mercado local gen ´erico.

Fonte: Adaptado de Teotia e Bhakar (2016), com alterac¸ ˜oes.

Dentro de um design de mercado local gen ´erico, conforme a Figura 6 o agregador surge como mais um agente intermedi ´ario importante que permite a inter-face dos DERs com o operador do mercado para que esse possa realizar o despacho

´otimo de energia para os agentes das redes locais (TEOTIA; BHAKAR, 2016).

O Agregador, portanto, é respons ável por calcular e verificar os acordos realizados junto com o operador de mercado e distribuir o pagamento para as unidades que proveram os recursos de DER (INTELLIGRID, 2018). Em conjunto com o controlador local da rede, que pode ser uma microrrede levando em consideraç ão a estrutura planejada de mercado, as trocas de informaç ões entre as redes é efetivada, assim como o fluxo de energia gerado e demandado entre as redes (TEOTIA; BHAKAR, 2016). Dado o aumento da geraç ão distribu´ıda e da disponibilidade crescente de DERs no sistema el étrico de pot ência, os avanços da tecnologia da informaç ão que modernizam as microrredes e a adaptaç ão de um mercado de energia mais conectado baseado em arquiteturas P2P, gerou-se o ambiente ideal para se rediscutir formatos de comercializar energia el étrica. Uma tecnologia nova, com a cont´ınua evoluç ão dos dispositivos de informaç ão, oferece possibilidades de tornar o mercado de energia el étrica mais integrado do ponto de vista de transaç ões e confiabilidade: o Blockchain.

(34)

2.3 Blockchain 32

2.3 BLOCKCHAIN

O Blockchain é uma ponte que une os avanços de todos os conceitos apre-sentados anteriormente em direç ão à um mercado de energia descentralizado ope-racionalmente. Essa seç ão tem como objetivo introduzir a tecnologia Blockchain de maneira isolada e ligar as suas possibilidades com os avanços do setor de energia el étrica.

2.3.1 CONCEITO E CONTEXTO DA TECNOLOGIA

O Blockchain é uma tecnologia de registro de transaç ões, como uma esp écie de livro fiscal (Conceito baseado no termo em ingl ês ledger ), que s ão distribu´ıdos en-tre os bancos de dados que suportam a rede criada por esses bancos constantemente atualizados a cada transaç ão realizada dentro dessa rede (MUNSING et al., 2017; SAN-SEVERINO et al., 2017).

Sendo assim, caracteriza-se por uma rede Blockchain toda rede que tra-balha com registro de transac¸ ˜oes em bancos de dados distribu´ıdos que opera sob a tecnologia Blockchain.

Segundo Munsing et al. (2017), Blockchain é uma tecnologia emergente para a computaç ão descentralizada e armazenamento de dados, assegurado por crip-tografia e mecanismos de consenso distribu´ıdos. Como todo o registro das transaç ões é validado na pr ópria rede, extingue-se a necessidade de um intermedi ário que faça a validaç ão para verificar se a transaç ão é real e se est á nos par âmetros de aceitaç ão de valor de todos os participantes da rede. Todos esses fatores foram respons áveis pela popularizaç ão da tecnologia dentro de ambientes em que o P2P, conforme discutido na subseç ão 2.1.3, j á é uma realidade instaurada (GORANOVIC et al., 2017).

O Blockchain nasceu e se popularizou no contexto financeiro, especifica-mente no contexto das criptomoedas9. A criptomoeda Bitcoin foi o principal expoente da tecnologia desde o seu lançamento em 2008 e fez com que outros setores da economia como seguros, gest ão de ativos e sa úde se atentassem à possibilidade de minimizar a atuaç ão de intermedi ários no of´ıcio de validaç ão de contratos (GORANOVIC et al., 2017).

9_{Criptomoedas s ão meios de troca de valor em que as transaç ˜}_{oes realizadas com essas s ão}

asseguradas em uma rede Blockchain para validaç ão. Seu lastro é exclusivamente relacionado com a impossibilidade t écnica de fraude devido à forma como a rede opera com a tecnologia Blockchain e valida todas as transaç ões que ocorrem na rede.

(35)

2.3 Blockchain 33

Com o setor de energia el étrica em transformaç ão e o avanço das tecnolo-gias de informaç ão dos dispositivos relacionados às microrredes, conforme discutido na subseç ões anteriores, a tecnologia Blockchain ganha notoriedade com a possibili-dade de criaç ão de novos modelos de neg ócios para o setor (GORANOVIC et al., 2017; KOUNELIS et al., 2017;SANSEVERINO et al., 2017).

2.3.2 PRINC´IPIOS DE FUNCIONAMENTO DE UMA REDE BLOCKCHAIN

O Blockchain, por ser totalmente baseado em uma rede P2P, em que os agentes s ão conectados e se relacionam randomicamente na rede, agem conforme um protocolo TCP10 _{definido para trocar dois tipos de informaç ão: contratos}

inteligen-tes e blocos (DANZI et al., 2017).

A primeira distinç ão a ser feita sobre a sua operaç ão é com relaç ão a ca-racter´ıstica de permiss ão da rede. Uma rede Blockchain pode ser classificada como p ública ou privada e que depende de uma plataforma para sua operaç ão (XUE et al., 2017). Exemplos de plataformas conhecidas s ão a Ethereum, Bitcoin (redes p úblicas) e Hyperledger (rede privada) e essas servem como base para adaptar os algoritmos de decis ão montados para cada situaç ão de aplicaç ão, fornecendo funcionalidades espec´ıficas para cada caso (XUE et al., 2017).

Para esse trabalho, ser á considerada a utilizaç ão da plataforma Ethereum por tr ês raz ões: A Ethereum é uma plataforma open-source, ou seja, que permite alteraç ões no c ódigo-fonte da aplicaç ão e flexibiliza o tratamento de modelos diferen-tes para cada situaç ão de mercado, pela quantidade de trabalhos dispon´ıveis utili-zando a plataforma, o que facilita a comunicaç ão de conceitos e, como principal mo-tivo, o fornecimento do uso do recurso de contratos inteligentes (KOUNELIS et al., 2017; DANZI et al., 2017;MUNSING et al., 2017).

A estrutura simplificada proposta por Danzi et al. (2017) que ser á utilizada como base te órica para a apresentaç ão dos conceitos da tecnologia Blockchain pode ser visualizada na Figura 7.

10_{Siga do ingl ˆes Transmission Control Protocol. Um TCP se relaciona com a troca de dados}

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2.3 Blockchain 34 Buffer Cópia local (Blockchain) Atualização de um SC Novo bloco Conteúdo do bloco (a) (b) (c) (d)

Figura 7: Fases de um protocolo gen ´erico de uma rede Blockchain Fonte: Adaptado de Danzi et al. (2017).

A Figura 7 servir á como refer ência para a explanaç ão do funcionamento de protocolo em uma rede blockchain. A tecnologia Blockchain, por consistir de um banco de dados distribu´ıdos em cada servidor para cada usu ário da rede, det êm c ópias id ênticas de todas as transaç ões realizadas na rede. Essas transaç ões, quando re-alizadas s ão organizadas de forma a criar blocos, definidos como o conjunto dessas transaç ões realizadas. Dentro de cada bloco existe as atualizaç ões de contratos inte-ligentes.

Os contratos inteligentes (SC), do ingl ês Smart Contrats, é um dos serviços dispon´ıveis por meio de uma plataforma espec´ıfica de Blockchain. No contrato inte-ligente é que s ão definidos os dados e informaç ões relevantes para a operaç ão de uma transaç ão. No contexto de energia el étrica, essas informaç ões ser ão tratadas como vari áveis e poderiam ser, por exemplo, o preço de venda da energia definido pelo prosumer, quantidade de pot ência a ser fornecida ou adquirida pelo agente.

Segundo Danzi et al. (2017), o contrato inteligente pode ser abstra´ıdo como um agente virtual que interage com outros agentes virtuais pela l ógica que est á em seu programa e dessa forma regulando a redistribuiç ão de cr édito entre os agentes ao realizar a atualizaç ão do contrato. No contexto do modelo de Blockchain que ser á apresentado posteriormente, as atualizaç ões de SC s ão produzidas pelo operador de controle de uma microrrede, enquanto que a criaç ão de um bloco, estrutura digital que cont ém os dados das transaç ões de uma rede em Blockchain, é de funcionamento intr´ınseco da tecnologia, sendo assim, o processo de criaç ão de um SC é separado da criaç ão de um bloco.

Ainda na fase (a) da Figura 7, as atualizaç ões dos SC que verificam um novo estado de vari áveis definidas pela rede Blockchain e s ão armazenadas em um buffer antes de serem deslocadas para a mem ória principal. Isso ocorre quando um

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2.3 Blockchain 35

agente cria uma atualizac¸ ˜ao de um SC e envia para seus vizinhos.

Na fase (b) da Figura 7, os SCs ainda n ão foram validados e aguardam a verificaç ão se aquelas informaç ões s ão verdadeiras, que é justamente criar a ideia de um consenso entre todos os envolvidos da rede (GORANOVIC et al., 2017). Con-forme explanado anteriormente, esse processo ocorre de forma paralela à criaç ão dos contratos inteligentes representa e é denominado de mineraç ão.

O processo de mineraç ão é o cumprimento do mecanismo de consenso, principal vantagem das redes blockchain (GORANOVIC et al., 2017). Nesse trabalho, ser á utilizado o mecanismo de consenso tradicional das redes blockchain, denominado de Proof-of-Work (PoW).

Segundo Goranovic et al. (2017), o PoW consiste em que os minerado-res, computadores conectados a rede que fornecem a sua capacidade computacional para a soluç ão de problemas matem áticos, sejam submetidos a um ”quebra-cabeça computacional”em que seu resultado é consideravelmente dif´ıcil de resolver mas facil-mente verific ável. Uma vez que esse quebra-cabeça é resolvido, é gerado uma chave de confirmaç ão para a verificaç ão entre os agentes da rede.

O Blockchain trabalha com uma chave de confirmaç ão denominada de hash, que é uma chave criptografada matematicamente que faz com que as relaç ões entre os blocos criados s ão virtualmente inquebr áveis (YANG et al., 2017). Essas cha-ves s ão assinaturas digitais que atestam a validade de uma transaç ão na rede. A criptografia relacionada a essas assinaturas est á fora do escopo do presente trabalho. Conforme a capacidade computacional da rede aumenta, blocos s ão cria-dos mais r ápicria-dos pela presença de mais mineradores (GORANOVIC et al., 2017). A re-compensa mais usual para mineradores tem sido o fornecimento de parte dos cr éditos das transaç ões que ocorrem dentro da rede e, no âmbito de sistemas de energia el étrica, esse incentivo ao fornecimento de capacidade computacional pode ser trans-ferido da mesma forma (DANZI et al., 2017;MUNSING et al., 2017).

Ent ão, conforme a fase (c) da Figura 7, ap ós o trabalho dos mineradores em verificar a validade dos SCs, um bloco é criado com as novas informaç ões e repassado para todos os agentes da rede blockchain. Ao final, na fase (d) da Figura 7, todos os agentes armazenam o novo bloco em sua c ópia local da rede blockchain, garantindo a todos os participantes dessa rede que as transaç ões foram efetivadas de fato.

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2.3 Blockchain 36

2.3.3 BLOCKCHAIN APLICADO À COMERCIALIZAÇ ÃO DE ENERGIA EL ÉTRICA Segundo Goranovic et al. (2017), as pesquisas relacionadas com a tec-nologia Blockchain ainda s ão um novo campo e maior parte do trabalho publicado é focado nos aspectos de segurança e escalabilidade e existem poucas aplicaç ões para controle de dispositivos f´ısicos.

O setor em que o Blockchain surgiu foi o setor financeiro e esse difere do se-tor de energia el étrica com relaç ão à manutenç ão de qual tipo de troca de informaç ão é realizada entre agentes do setor. Enquanto um intermedi ário banc ário, como um banco, somente realiza transaç ões de informaç ões, um intermedi ário no setor de ener-gia el étrica como uma concession ária ou comercializadora de enerener-gia el étrica realiza e monitora, al ém da troca de informaç ões, despachos e transmiss ão de pot ência el étrica para cargas conectadas ao sistema (MUNSING et al., 2017).

Segundo Yang et al. (2017), as principais vantagens da aplicaç ão do Block-chain poderia suprir as principais necessidades e desafios do futuro do consumo de energia, que seriam oconsenso, flexibilidade e segurança ao establecer uma rede

de informac¸ ˜ao descentralizada e segura.

• Consenso: O Blockchain permite com que um grupo de peers11 _{possa alcanc¸ar}

o consenso entre transaç ões efetivadas na rede. Conforme descrito anterior-mente, cada usu ário é respons ável pela manutenç ão dos dados que circulam na rede;

• Flexibilidade: Nenhuma central de controle seria necess ária com relaç ão às transaç ões financeiras, o que d á autonomia ao usu ário sobre a topologia de sua microrrede, fluxo de pot ência e a possibilidade de se conectar ou desligar da rede principal;

• Segurança: O sistema é protegido por meio de criptografia e, sendo assim, é pro-tegido contra intrusos que poderiam incluir dados maliciosos na rede e verificar falhas ou perdas na transmiss ão de energia el étrica entre os peers (SANSEVE-RINO et al., 2017).

O Blockchain, portanto, serve somente como uma base para transaç ões comerciais e execuç ão das tomadas de decis ão. Para um sistema descentralizado

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2.3 Blockchain 37

operar nessa estrutura conectada, s ˜ao necess ´arias estruturas de algoritmos para rea-lizar as escolhas entre o valor de mercado praticado dentro das poss´ıveis microrredes e o valor da energia dispon´ıvel pela rede tradicional (TEOTIA; BHAKAR, 2016).

Segundo Teotia e Bhakar (2016), a transaç ão de energia el étrica em uma rede local que est á inserida em uma arquitetura P2P (ou seja, descentralizada) pode se beneficiar com o uso de algoritmos baseado em teoria de jogos para soluç ões descentralizadas, como mecanismos de leil ão, modelo de Stackelberg, modelos n ão-cooperativos e outros. A descriç ão e tratamento desses algoritmos n ão est á no escopo do presente trabalho.

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3 METODOLOGIA

Este cap´ıtulo apresenta a metodologia empregada para a realizaç ão desse trabalho e a contextualizaç ão sobre a execuç ão e a delineaç ão da pesquisa.

3.1 ENQUADRAMENTO METODOL ´OGICO

Segundo Gil (2002), uma pesquisa pode ser classificada em seus objetivos como explorat ória, descritiva ou explicativa. Com relaç ão à abordagem desse trabalho, classifica-se esse como uma pesquisa explorat ória, visto a pouca disponibilidade de trabalhos e artigos cient´ıficos relacionados com o tema e com o objetivo de aprimorar as ideias e unir conceitos para criar propostas de linhas de estudo.

Com relaç ão aos procedimentos t écnicos da pesquisa, ela se caracteriza como uma pesquisa bibliogr áfica, em que se apoia por meio de materiais elaborados como livros acad êmicos, artigos cient´ıficos e outras fontes (GIL, 2002).

Para o desenvolvimento da pesquisa é realizada uma revis ão sistem ática da literatura incorporando an álise bibliom étrica e de conte údo.

3.2 M ´ETODO, ETAPAS E PROCEDIMENTOS DE PESQUISA

Esta seç ão descreve todas as etapas da pesquisa e os m étodos emprega-dos, bem como as premissas utilizadas e o processo de discuss ão dos dados obtidos com os trabalhos selecionados.

3.2.1 REVIS ˜AO SISTEM ´ATICA DA LITERATURA

Segundo Nakagawa et al. (2017), uma Revis ão Sistem ática da Literatura (RSL) tem como principal objetivo identificar, selecionar, avaliar, interpretar e sumari-zar estudos dispon´ıveis em bases de peri ódicos ou livros que s ão considerados rele-vantes para um t ópico de pesquisa ou fen ômeno de interesse.

De acordo com Mafra e Travassos (2006), uma RSL convencional ´e condu-zida por meio de um processo que pode ser classificado em tr ˆes fases: planejamento,