2.1.2.1 Medidores de energia
O componente primordial para a estruturação de uma REI é o medidor in- teligente de energia. A partir da medição inteligente, o consumidor final poderá realizar o controle de seu consumo de energia, gerenciar sua energia armazenada caso pos- sua armazenadores, reagirá a sinais de preço do kWh e controlará a venda de energia excedente para a rede (JARAMILLO; CARDONA; HENAO, 2014; GRAHAM-ROWE, 2011). A medição inteligente é que possibilita a formação do prossumidor, o consumi- dor em uma REI não necessariamente passivo: ele busca o menor custo de energia para contratação e, eventualmente, ele também produz energia para vender à Rede. Fabricantes atuais vendem medidores com capacidades de integração via internet e outras facilidades para que o usuário possa monitorar seu consumo.
A medição inteligente pode beneficiar ainda mais a operação das concessio- nárias. Através dela será possível realizar uma deteção mais apurada de fraudes e mesmo o controle do fornecimento de energia para clientes inadimplentes. Um exem- plo de produto no mercado com essas características e com tecnologia nacional é o SIM – Sistema Inteligente de Medição – da Nansen (v. Figura 9).
Figura 9 – Sistema Inteligente de Medição – Nansen.
Figura 10 – Medidor Inteligente – GE.
Medidores inteligentes proporcionam, entre outras facilidades:
∙ Leitura, corte e religamento de energia dos consumidores remota ou localmente; ∙ Detectação de fraude, que consiste no monitoramento da tensão pós-relé, im-
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∙ Software de gestão através de uma interface WEB.
Outros fabricantes possuem soluções diferentes para medição inteligente. Por exemplo, a General Electric propõe medidores compactos (v. Figura 10) com canais para comunicação por rádio e Internet, interface via web para controle de gastos, inte- gração com termostatos e outros eletrodomésticos para gestão do consumo.
2.1.2.2 Acumuladores
Acumuladores são dispositivos capazes de armazenar excedentes de energia gerada pelas fontes com comportamento estocástico. A energia acumulada pode ser utilizada posteriormente para a) “ceifar” picos de demanda ou b) fornecer energia em um momento de baixa produção da GD. A Figura 11 ilustra os pontos de operação nos quais a atuação de acumuladores torna-se necessária. Os picos de demanda que não seriam atendidos pela geração distribuída local - o que equivale a quando as de- mandas somadas ultrapassam a capacidade instalada da GD da microrrede - podem ser compensados pela atuação dos acumuladores fornecendo energia ao sistema. De forma simétrica, quando a demanda da MR é muito baixa, e ainda assim a GD continua fornecendo, os acumuladores podem ser carregados.
Figura 11 – Representação dos pontos de atuação de acumuladores em uma curva de carga (BOLLEN, 2011)
Dentre as diversas tecnologias de acumuladores existentes, temos armazena- mento de energia potencial hidráulica, por ar comprimido, flywheel e dispositivo su- percondutor (LIDULA; RAJAPAKSE, 2011), além dos acumuladores eletroquímicos (as baterias). Estas são de maior interesse econômico e tecnológico. A tecnologia de baterias tem tido evoluções significativas desde o desenvolvimento de novos materiais (RIJSSENBEEK et al., 2011; HOSONO et al., 2012; YANG et al., 2010) até o desen- volvimento de novos processos de gestão de uso (DEBNATH et al., 2015; MUKAI; IGARI; NAMERIKAWA, 2016).
Tabela 1 – Comparativo de custos para tecnologias de armazenamento de energia - baseado em (BOLLEN, 2011) Tecnologia CAPEX [$/kWh] NaS 200 - 1000 Li-íon 800 - 3000 NiCd 800 - 1500 Flywheel 1000 - 3000 Eletroquímica 100 - 200 Ar comprimido 30 - 100 Reservatório hídrico 50 - 150
Dentro das MR, as baterias possuem o melhor tradeoff para implantação, ope- ração e manutenção em relação às outras tecnologias de acumuladores citadas. As Tabelas 1 e 2 listam valores representativos para comparações técnico-econômicas entre essas tecnologias.
As baterias podem ser utilizadas para acumular o excedente de energia gerado em um dado momento para ser consumido posteriormente (FARES; WEBBER, 2015). O maior exemplo de aplicação é da geração fotovoltaica: a energia acumulada durante o dia pode vir a ser consumida no período da noite, quando os painéis fotovoltaicos não funcionam. Outra aplicação de baterias consiste na regularização da energia fornecida por geradores eólicos, pois os ventos possuem velocidades não constantes e a potên- cia de um aerogerador varia com o cubo de sua velocidade impressa em suas pás (SILVA, 1988). Entretanto, a utilização de baterias poderia regularizar a taxa de en- trega de potência ao sistema elétrico e com isso cria-se a possibilidade de realizar o despacho dessa fonte. Essa realidade é aplicável tanto a geradores fotovoltaicos quanto eólicos (HILL et al., 2012; TELEKE et al., 2010).
Além da aplicação junto às fontes de característica estocástica (eólica, solar) para regularização, grandes bancos de acumuladores também poderiam ser utilizados
Tabela 2 – Comparativo de desempenho de tecnologias de armazenamento de ener- gia - baseado em (BOLLEN, 2011)
Tecnologia Eficiência [%] Máx. ciclos Densidade [kWh/m3] Rating
NaS 87 2.000 200 10 MW, 10 h Li-íon 95 4.000 300 1 MW, 15 min NiCd 60-70 1.500 50 5 MW, 10 min Flywheel 93 20.000 15 1 MW, 15 min Eletroquímica 97 30.000 20 1 MW, 5 min Ar comprimido 75 10.000 - 100 MW, 10 h Reservatório hídrico 70 - 85 20.000 - 1.000 MW, 24h
Capítulo 2. Redes Inteligentes 35
para fornecimento de serviços ancilares a uma microrrede.
2.1.2.3 Transformadores
Os transformadores, na distribuição, são componentes críticos pois abaixam a tensão para níveis seguros para o consumidor final. Os equipamentos legados, de- vido à sua construção, devem passar por rigorosa manutenção preventiva a fim de evitar falhas como vazamentos de óleo ou explosões por acúmulos de gases. Para o funcionamento das REI, torna-se imperativo que estes equipamentos possuam ca- pacidades estendidas em sua operação e manutenção (GOODMAN, 2002).
Os chamados transformadores inteligentes atendem a demandas de qualidade de energia, comunicação, escalabilidade e confiabilidade exigidas pelas REI. Um exem- plo de equipamento que atenderia a esses requisitos seria o Bidirectional Intelligent Semiconductor Transformer - Transformador Inteligente Bidirecional baseado em Semi- condutor (BIST) (v. Figura 12) (HAN; CHOI; LEE, 2014). A arquitetura mostrada nessa figura permitiria a construção de transformadores mais compactos e com possibilidade de controle ativo da qualidade da energia entregue, já que se trata de dois inversores de frequência na configuração back-to-back com estágio conversor DC intermediário.
Figura 12 – Arquitetura básica BIST (HAN; CHOI; LEE, 2014).
Transformadores baseados em eletrônica de potência tendem a possuir peso e volume menores e permitem atuar sobre as tensões e correntes de forma controlar a qualidade da energia fornecida (SHE et al., 2014). Servem também como regenera- dores da energia em excesso disponibilizada na MR, ajustando o fluxo de potência na rede.
Transformadores baseados em circuitos magnéticos podem ser adaptados à atuação em uma REI ao serem adicionadas funções como medições de tensão e corrente e de temperatura e sensores para análise dos gases e vibração (MA et al., 2015). A capacidade de realizar rotinas como auto diagnóstico possibilita emissão de alertas para manutenção preditiva, diminuindo assim a necessidade e a frequência das manutenções preventivas e evitando as corretivas. Esses alarmes poderiam ser lidos por outros agentes inteligentes da rede para predizer faltas e assim adotar ações que previnam ou mitiguem as chances de um desabastecimento (CHEN et al., 2014).
O resultado da utilização de transformadores inteligentes seria um serviço com maior qualidade e menor OPEX na REI.
Com a possibilidade do mercado livre (LUND et al., 2012) de energia na REI em que um produtor e um consumidor podem realizar uma transação direta de energia, os transformadores terão papel fundamental como roteadores da energia transacionada (AMIN; SCHEWE, 2007), (CONTRERAS; RAMIREZ, 2014; DU et al., 2010).
2.1.2.4 Sensores
A REI depende fortemente da utilização de sensores distribuídos em todo o sistema (GELLER, 2010). Medições de grandezas elétricas (corrente, tensão, fator de potência), mecânicas (temperatura, pressão atmosférica, níveis de ruído e vibração) e outras grandezas derivadas (carga de baterias, composição de gases de transfor- madores, fluxo de potência) viabilizarão a observação em tempo real de todos os estados de operação da rede. Isso permitirá que agentes possam observar e atuar com maior exatidão sobre o ambiente da REI na qual estejam inseridos.