A indústria de Samuel Insull Consolidação dos sistemas elétricos de potência Redes elétricas inteligentes. Workshop Energia.

Transcrição

1 Workshop Energia Smart Grids Giovanni Manassero Junior Depto. de Engenharia de Energia e Automação Elétricas Escola Politécnica da USP Julho/2015

2 Sistemas elétricos de potência Evolução e aspectos responsáveis pelas mudanças As mudanças pelas quais passaram os sistemas elétricos de potência não podem ser explicadas exclusivamente por aspectos técnicos; Normalmente essas mudanças envolvem aspectos técnicos e científicos, econômicos, políticos e organizacionais; Apesar de refletirem o contexto em que se inserem, os sistemas de potência têm dinâmica própria; Isto significa que esses sistemas produziram modificações profundas na sociedade e, em contrapartida, foram modificados por essa mesma sociedade.

3 Consolidação Pennsylvania (1900 e 1930)

4 Estrutura Os pilares de indústria de Insull O modelo da estrutura descrita foi estabelecido por Samuel Insull a partir da empresa Chicago Edison Company; A sua visão baseou-se em quatro pilares fundamentais: Consumo de massa: consumidores ligados a uma rede elétrica interconectada e confiável; Economia de escala: aumento na produção de energia elétrica e aumento da eficiência dos sistemas; Estratégia de marketing: descontos proporcionais ao consumo de energia elétrica (sell more and charge less); Regulação: estabilidade de investimentos a uma indústria de capital intensivo e grande interação política.

5 Desafios técnicos Como garantir a operação desses sistemas? Qualquer sistema elétrico de potência deve garantir o suprimento de energia aos consumidores, de forma confiável e ininterrupta, respeitando os limites de variação de frequência e tensão; Neste contexto, os grandes desafios técnicos dos sistemas elétricos interligados residem nas etapas de especificação, projeto e operação, de modo a garantir sua integridade nas mais diversas situações: Na presença de variações instantâneas no consumo de energia: conexão e desconexão de cargas; Na eventualidade de distúrbios: curtos-circuitos nos equipamentos que compõem os sistemas, perda de grandes blocos de carga, etc.

6 Operação Ferramentas Em meados da década de sessenta, a indústria de energia elétrica iniciou o uso da eletrônica analógica e digital para efetuar o monitoramento, a automação e o controle dos sistemas elétricos de potência; Além disso, os avanços na tecnologia da computação permitiram a elaboração e utilização de ferramentas computacionais para a simulação dos sistemas elétricos de potência, de modo a planejar sua operação durante contingências; Atualmente, a utilização de equipamentos e ferramentas computacionais para esse fim é bastante difundida nas usinas de geração de energia elétrica, bem como nos sistemas de transmissão e, em menor escala, nas redes de distribuição.

7 Quantidade de movimento Objetivos comuns para a consolidação dos sistemas elétricos Ativos dos sistemas; Profissionais envolvidos; Agentes governamentais; Sociedades profissionais; e Instituições educacionais.

8 Novos paradigmas A necessidade de adaptação à nova realidade Atualmente existem outros desafios que se impõem à especificação, projeto e operação dos sistemas elétricos: Redução do impacto da atividade humana sobre o meio ambiente; Independência de fontes de energia não-renováveis; e Eficiência energética. Redirecionar os propósitos da indústria de energia elétrica para a comercialização e, simultaneamente, para a economia de energia elétrica pode colocar em xeque os modelos de gerenciamento atuais, os meios de financiamento e os mecanismos de regulação.

9 Novos paradigmas Redução do impacto da atividade humana sobre o meio ambiente U.S. Electricity Flow, 2014 (Quadrillion Btu) 1 Blast furnace gas and other manufactured and waste gases derived from fossil fuels. 2 Batteries, chemicals, hydrogen, pitch, purchased steam, sulfur, miscellaneous technologies, and non-renewable waste (municipal solid waste from non-biogenic sources, and tire-derived fuels). 3 Electric energy used in the operation of power plants. 4 Transmission and distribution losses (electricity losses that occur between the point of generation and delivery to the customer). 5 Data collection frame differences and nonsampling error. 6 Use of electricity that is 1) self-generated, 2) produced by either the same entity that consumes the power or an affiliate, and 3) used in direct support of a service or industrial process located within the same facility or group of facilities that house the generating equipment. Direct use is exclusive of station use. Notes: Data are preliminary. See Note 1, Electrical System Energy Losses, at the end of EIA, Monthly Energy Review (March 2015), Section 2. Net generation of electricity includes pumped storage facility production minus energy used for pumping. Values are derived from source data prior to rounding for publication. Totals may not equal sum of components due to independent rounding. Sources: U.S. Energy Information Administration, Monthly Energy Review (March 2015), Tables 7.1, 7.2a, 7.3a, 7.6, and A6; and EIA, Form EIA-923, "Power Plant Operations Report."

10 Novas direções O fim da era Insull À medida que a indústria de energia elétrica caminha para a mudança nas fontes de energia e direciona esforços para a eficiência energética, as tecnologias adotadas atualmente se tornam obsoletas; Nas próximas décadas, a arquitetura dos sistemas elétricos pode mudar significativamente; A prevalência de grandes usinas de geração de energia elétrica e do controle centralizado deve ser sucedida pela presença de pequenas unidades geradoras e inteligência descentralizada; No centro dessa transformação se encontram as redes elétricas inteligentes.

11 O fim de uma era A última estação para fornecimento em corrente contínua

12 Definições Como definir o conceito de redes elétricas inteligentes? Redes elétricas inteligentes são redes que utilizam extensivamente: Novos materiais; Dispositivos eletrônicos inteligentes; Sistemas de comunicação; e Ferramentas computacionais. Com o objetivo de ampliar o desempenho dos sistemas elétricos, no que se refere à produtividade, eficiência energética, qualidade e desempenho ambiental.

13 Em direção às smart grids Processo de modernização das redes elétricas inteligentes A modernização das redes elétricas de potência é necessária para garantir o crescimento da sociedade industrial; O processo de modernização das redes elétricas é baseado nas seguintes premissas: Confiabilidade: antecipação dos problemas relacionados aos equipamentos (técnicas de manutenção baseadas na condição) e capacidade de suportar distúrbios (minimização da interrupção no fornecimento); Segurança: tolerância a ataques físicos e cibernéticos, de forma a minimizar a interrupção no fornecimento e os custos relativos ao restabelecimento do sistema. Além disso, segurança para as pessoas que manuseiam a rede (consumidores e as equipes de manutenção);

14 Em direção às smart grids Processo de modernização das redes elétricas inteligentes O processo de modernização das redes elétricas é baseado nas seguintes premissas (cont.): Economia: operação sob regras de oferta e demanda, resultando no aperfeiçoamento dos modelos de precificação e no gerenciamento adequado das reservas de energia; Eficiência: redução das perdas técnicas na transmissão e distribuição, aumento no rendimento da geração e melhoria na gestão dos ativos; Impacto reduzido: aumento do acesso a fontes renováveis de energia, redução no impacto da geração de energia por meio de fontes não renováveis, conscientização do consumidor para redução do desperdício.

15 Em direção às smart grids Visão sobre as redes elétricas inteligentes Esse processo requer o envolvimento das concessionárias do setor elétrico, consumidores, políticos, agentes reguladores, etc. To revolutionize the electric system by integrating 21st century technology to achieve seamless generation, delivery and end-use that benefits the nation. A vision for the modern grid. NETL - National Energy Technology Laboratory - DOE. Combining time-based prices with the technologies that can be set by users to automatically control their use and self-production, lowering their power costs and offering other benefits such as increased reliability to the system as a whole. Peter Fox-Penner

16 Smart Grids Características das redes elétricas inteligentes As características desejáveis para as redes elétricas inteligentes são: Participação dos consumidores; Capacidade de acomodação de autoprodutores de energia elétrica; Viabilização de novos produtos e serviços; Qualidade de energia de acordo com as necessidades; Otimização dos ativos e eficiência energética; Operação resiliente a distúrbios, ataques e desastres naturais.

17 Características das smart grids Participação dos consumidores Para que seja possível garantir a participação dos consumidores de energia elétrica deve-se permitir a troca de informações e de energia; Atualmente, a tecnologia que possibilita essa troca é a infraestrutura de medição avançada (AMI Advanced Metering Infrastructure); A troca de informações e energia possibilita a implantação de programas de resposta pelo lado da demanda e o peak shaving.

18 Participação dos consumidores Número de publicações 3750 NO. PUBLICAÇÕES load management, pricing, load patterns, storage, communications ANO keywords:+demand +response +ieee +iet

19 Características das smart grids Capacidade de acomodação de autoprodutores Normas e procedimentos para a interconexão de autoprodutores de energia elétrica; A acomodação de um grande número de autoprodutores requer estudos para determinação do impacto de sua indisponibilidade nos índices de confiabilidade dos sistemas elétricos convencionais; Deve-se levar em consideração também o aspecto econômico e as questões ambientais; Incentivos fiscais e/ou econômicos para a instalação de geração distribuída e unidades de armazenamento de energia pode resultar em crescimento no interesse dos investidores.

20 Capacidade de acomodação de autoprodutores Número de publicações 5430 NO. PUBLICAÇÕES microgrids, impacts, power electronics, control techniques, energy management ANO keywords:+distributed +energy +resources +ieee +iet

21 Características das smart grids Viabilização de novos produtos/serviços A viabilização de novos produtos e serviços depende da consolidação das políticas, regulamentações, tecnologias, incentivos e financiamentos; Dentre os novos produtos pode-se ressaltar: Veículos elétricos: podem substituir parte da frota de veículos à combustão e, portanto, podem surgir como um novo mercado para a indústria de energia elétrica;

22 Viabilização de novos produtos/serviços Número de publicações 2970 NO. PUBLICAÇÕES electric machines, drives, converters, impacts, storage ANO keywords:+electric +vehicles +ieee +iet

23 Características das smart grids Qualidade de energia Nem todos os consumidores possuem os mesmos requisitos no que se refere à qualidade da energia elétrica entregue pelas concessionárias; Os consumidores mais afetados são aqueles que empregam equipamentos eletrônicos; Esses equipamentos normalmente são susceptíveis às variações nos níveis de tensão, mesmo que momentâneas, e à presença de conteúdo harmônico; Microrredes e DER podem contribuir para mitigar esse problema (p. ex. a geração distribuída pode contribuir com a manutenção dos níveis de tensão nas redes e as microrredes podem operar de maneira independente da infraestrutura de distribuição).

24 Qualidade de energia Número de publicações NO. PUBLICAÇÕES fault classification, detection, advanced metering infrastructure, converters, microgrids ANO keywords:+power +quality +smart +grids +ieee +iet

25 Características das smart grids Otimização dos ativos e eficiência energética A busca pela eficiência energética passa necessariamente pelos consumidores de energia elétrica, bem como pelas concessionárias de distribuição, transmissão e geração; Consumidores que possuem uma certa quantidade de informações podem contribuir ativamente com a redução do desperdício de energia elétrica, por meio de mudanças em seus hábitos de consumo; No caso das concessionárias, a eficiência energética pode ser obtida com a substituição, ainda que gradual, dos equipamentos e sistemas menos eficientes, bem como com a utilização de técnicas de controle que possam contribuir com a redução das perdas técnicas e do congestionamentos das redes elétricas.

26 Otimização de ativos Número de publicações NO. PUBLICAÇÕES predictive maintenance, dynamic thermal rating, automation, storage, volt/var ANO keywords:+assets +optimization +smart +grids +ieee +iet

27 Características das smart grids Operação resiliente a distúrbios Resiliência é a energia armazenada num corpo deformado elasticamente, que é devolvida quando cessam as tensões causadoras das deformações. Isto é, resiliência corresponde à energia potencial de deformação. Em outras palavras, resiliência é a propriedade de um corpo de recuperar a sua forma original após sofrer choque ou deformação; Diz-se que uma rede elétrica é resiliente a distúrbios quando é capaz de isolar rapidamente as regiões afetadas pelos distúrbios, sem interromper o fornecimento de energia elétrica às outras regiões;

28 Características das smart grids Operação resiliente a distúrbios O processo de automação das subestações, das linhas de transmissão e das redes de distribuição pode contribuir para aumentar a sua resiliência; O avanço no emprego dos sincrofasores contribui para melhorar a percepção do estado das redes elétricas, do ponto de vista sistêmico.

29 Operação resiliente a distúrbios Número de publicações NO. PUBLICAÇÕES ANO keywords:+self +healing +smart +grids +ieee +iet

30 Obrigado! Prof. Dr. Giovanni Manassero Junior Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas manassero@usp.br