I SEMINÁRIO GOIANO EM TELECOMUNICAÇÕES – SGTel’11, 03-04 DE JUNHO DE 2011, GOIÂNIA, GO
Redes inteligentes e microgeração distribuída Eng. Me. Cassiano Ricardo Gomes Peres e Prof. Dr. Getúlio Antero de Deus Júnior Resumo — Este artigo aborda a contribuição da geração de energia elétrica através de placas solares por consumidores atendidos por redes de baixa tensão (menor que 2,3 kV), no contexto de redes inteligentes (do inglês: Smart Grids). Após uma revisão bibliográfica, o objetivo final foi fornecer um construto teórico atual a partir de publicações científicas e contextualizar o tema frente outros países. O resultado final é a visão de quais tecnologias necessitam ser mais exploradas para o avanço da aplicação do conceito de rede inteligente. Palavras-Chave — Smart Grid, Medição eletrônica, Fontes de energia renováveis. Abstract— This article discusses the contribution of power generation through solar panels by consumers served by networks of low voltage (less than 2.3 kV) in the context of intelligent networks (smart grids). The methodology is a literature review. The goal is to provide a theoretical construct from current scientific literature, and put the issue before other countries. The end result is the vision of which technologies need to be further exploited to advance the application of the intelligent network. Keywords — Smart Grid, Smart meter, Solar energy.
I.
INTRODUÇÃO
Ao longo de cem anos, a Engenharia Elétrica têm proporcionado grandes evoluções nas áreas de comunicações e automação. A fibra ótica e o circuito integrado permitiram grande parte desse avanço. A fibra ótica como meio de transmissão de informações foi viabilizada pelo trabalho dos engenheiros Charles Kuen Kao e George Hockham. O circuito integrado foi inventado pelo engenheiro Jack S. Kilby em 1959 e permitiu várias aplicações na automação de máquinas, e sagrou-se na revolução proporcionada pelos computadores. Contudo, ainda não se viu grande revolução no transporte da energia. As empresas deste ramo continuam basicamente com o mesmo modelo de negócio, utilizando tecnologia que centraliza a produção de energia nas usinas e transmite/distribui a energia aos seus consumidores através de redes aéreas ou subterrâneas. No percurso entre a geração e o consumo existem vários equipamentos de proteção e seccionamento coordenados para reagirem à faltas, porém, com poucos artifícios que possibilitem ações preventivas imediatas. É justamente nesta lacuna que surge o conceito de rede inteligente ou Smart Grid. A rede inteligente em termos gerais é a aplicação de tecnologia da informação para o sistema elétrico de potência, integrada aos sistemas de comunicação e infraestrutura de rede automatizada. Especificamente, envolve a instalação de sensores nas linhas da rede de energia elétrica, o estabelecimento de um sistema de comunicação confiável em duas vias com ampla cobertura com os diversos Cassiano Ricardo Gomes Peres e Prof. Dr. Getúlio A. de Deus Júnior¸ Escola de Engenharia Elétrica e de Computação, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Brasil. E-mails:
[email protected] e
[email protected].
dispositivos e automação dos ativos. Esses sensores são embutidos com chips que detectam informações sobre a operação e desempenho da rede, tais como parâmetros de tensão e corrente. As funcionalidades descritas anteriormente permitirão maximizar a eficiência da rede e promover maior adoção de fontes de energia renováveis tais como solar, eólica e biomassa. Para que tal eficiência seja maximizada, a rede inteligente necessita monitorar o uso da energia, realizar medições instantâneas de demanda e responder propriamente às diferentes solicitações de carga. Realizar todas estas tarefas demanda obtenção e análise em tempo real de dados, juntamente com o controle de dispositivos de seccionamento e proteção, de tal modo a reduzir perdas técnicas de energia e responder à demanda de energia. Para isso será necessária uma rede de transmissão de informações com grande largura de banda. Em [1], foi simulada uma rede de distribuição com 100.000 consumidores e 10.000 alimentadores. Concluíram que uma rede utilizando protocolo IP necessitaria de uma largura de 400.086 Mbps, o que apenas seria possível utilizando-se fibras óticas ao longo das linhas de transmissão e distribuição para atingir uma latência de no máximo 10 ms. A fibra ótica é uma de várias tecnologias que podem ser utilizadas, como PLC (do inglês: Power Line Communication), GSM (do inglês: Global System for Mobile Communications), GPRS (do inglês: General Packet Radio Service), UTMS (do inglês: Universal Mobile Telecommunication System), SMS (do inglês: Short Messages Service), LAN (do inglês: Local Area Network), Mesh e ZigBee. No Brasil, vários testes foram realizados com diferentes tecnologias. Projetos pilotos de PLC foram realizados pelas concessionárias de energia Eletropaulo, Cemig, Light, Elektro, Copel, Escelsa e Celg. Embora seja um canal de comunicação mais lento, o PLC de banda estreita tem alta penetração e abrangência, e seria uma solução para onde existe baixa densidade de unidades consumidoras e de carga, além de grandes distâncias e em locais onde não há cobertura de rede móvel. A fibra ótica já integra a planta de transmissão de várias concessionárias, através dos cabos pára-raios OPGW (do inglês: Optical Ground Wire). No Brasil, a empresa Infovias, ramo de telecomunicações do grupo Cemig, utiliza a estrutura da rede da distribuidora para instalação de cabos óticos e, atualmente, possui mais de 13 mil km de cabos óticos funcionando. Essa estrutura atende 23 cidades em Minas Gerais.
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A distribuidora Elektro iniciou um projeto com base na tecnologia de rede Mesh, em Campos do Jordão, principalmente devido à geografia. A topologia da rede utilizada permite que vários medidores comuniquem entre si através de uma rede sem fio. De fato, um dos equipamentos chave para o funcionamento correto de uma rede inteligente é o medidor eletrônico. As funcionalidades embutidas neste equipamento são a chave para aquisição de dados mais acurados e seguros. Algumas funcionalidades são: auto diagnóstico, firmware download (software permanente com instruções operacionais), faturamento de energia nos quatro quadrantes, faturamento na modalidade pré-pagamento, apuração da qualidade da energia (duração e frequência de interrupções, registro de valores anormais de tensão e frequência, entre outras), anti-fraude (dispositivos mecânicos, eletrônicos e de software), corte e religação remotos, disponibilização de dados e interface com o consumidor, comunicação integrada, armazenamento de dados e interface com medidores de água e gás, entres outras. Em especial, o faturamento de energia nos quatro quadrantes, ou seja, os dois sentidos (da fonte para carga e da carga para fonte) possibilita a microgeração distribuída, ou seja, a geração de energia pelo próprio consumidor utilizando equipamentos de pequena escala, sobretudo painéis solares, microeólicas, ou microturbinas tocadas pela energia de biomassa. No Brasil, existe um programa piloto empreendido pela Copel onde centrais geradoras com potência instalada de até 300 kVA instaladas em unidade consumidora rural, que utilizam biogás oriundo de dejeto orgânico de animais, e que estejam conectados em redes de tensão secundária, podem comercializar energia na modalidade de geração distribuída. II.
A PRODUÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA
Este artigo tem como foco apresentar a geração de energia elétrica e sua entrega a partir de redes de distribuição através de energia fotovoltaica. Esses sistemas são tipicamente compostos por um banco de baterias, um painel solar, um controlador de carga e, eventualmente, alguma eletrônica adicional como: inversor CC-CA senoidal ou não, conversor CC-CC MPPT (do inglês: Maximum Power Point Tracker), entre outros. O painel solar converte a radiação solar em eletricidade, por corrente contínua que, por sua vez, é armazenada em um banco de baterias. O controlador de carga regula a tensão do painel solar para evitar que o banco de baterias seja sobrecarregado ou sobredescarregado. Dimensiona-se o banco de baterias para um determinado número de dias de autonomia, usualmente três. A partir da década de 1980, surgiram algumas iniciativas para sistemas fotovoltaicos com objetivo de interagir com a
rede de energia de distribuição, entregando energia através de um inversor que funciona sincronizando o sistema com a tensão e frequência da rede de distribuição. Desde então, a produção de energia através de células fotovoltaicas vem crescendo exponencialmente no mundo. A Figura 1 mostra o crescimento da potência instalada de tal fonte no mundo entre os anos de 2006 e 2009.
Gigawatts
Distribuidoras como a CPFL Piratininga, CEB, Ampla e Coelce utilizam medidores eletrônicos com saída serial, e memória de massa, unidades terminais remotas com comunicação GPRS e software de gerenciamento para integração com sistemas legados e corporativos.
24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2006
Fig. 1.
2007
2008
2009
Histórico da capacidade instalada de energia fotovoltaica instalada no mundo entre 2006 e 2009 [2].
O principal país produtor de energia através de fonte solar é a Alemanha, responsável por 47% da energia produzida. Graças a uma política energética firme e a um organizado sistema de subsídios governamentais, baseados na Lei de Energias Renováveis (“EEG”), reformulada em 2004, já em 2005 havia mais sistemas de energia solares fotovoltaicos instalados na Alemanha do que em qualquer outra parte do mundo. Foram instalados 75.000 sistemas de geração solar fotovoltaica com uma capacidade de 600 MW conectados à rede, aumentando o total instalado de energia solar conectada em 1.500 MW. Em 2009 a capacidade de geração de energia elétrica através de fontes renováveis no mundo, 1.230 GW, representava aproximadamente um quarto da capacidade de geração de energia elétrica total no mundo, 4.800 GW, de acordo com [2]. Já no Brasil, a participação das fontes renováveis em 2009, de acordo com [3], representa mais de quatro quintos (89,18%). A Figura 2 demonstra a matriz energética no Brasil. A Figura 3 demonstra a participação da Alemanha na geração de energia solar no mundo, em 2009. No Brasil tramita o projeto de lei nº. 630, de 2003, que estabelece incentivos à produção de energia a partir de fontes alternativas renováveis e bicombustíveis, fomenta a realização de pesquisas relacionadas a essas fontes de energia, aos veículos automóveis elétricos e híbridos, ao armazenamento de energia elétrica e ao uso do hidrogênio e do ar comprimido para fins energéticos. De fato, o Brasil possui boas condições para a geração de energia fotovoltaica, como demonstra a Tabela I. O valor mínimo do arranjo da insolação no Brasil (4,73 kWh/m²/dia) é maior que o valor médio do arranjo da insolação na Alemanha (3,32 kWh/m²/dia).
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significativo aumento da participação da fonte solar na matriz energética brasileira, tendo em vista que hoje o Brasil possui apenas 87 kW de potência solar instalada, de acordo com [3].
Não Renováveis Não Renováveis Não Renováveis Nuclear 1,75% Carvão 1,70% Petróleo 5,81% Não Renováveis Gás Processo 1,56% Renováveis Eólica 0,87% Renováveis Biomassa 7,11%
A injeção de potência nas redes de distribuição através de geradores solares, ou outras fontes de microgeração distribuída, levanta algumas questões relativas à estabilidade da rede e como gerir (despachar) estas fontes.
Renováveis Gás Natural 9,96% Renováveis Hidráulica 71,24%
Capacidade total = 114.542.259 kW
Fig. 2. Matriz energética do Brasil [2]. Outros países da EU 7%
Outros países no mundo 4%
Corea do Sul 2% Itália 5%
Alemanha 47%
Estados Unidos 6%
Japão 13%
Fig. 3. Participação da Alemanha na geração fotovoltaica no mundo [3].
Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
INFORMAÇÕES SOBRE INSOLAÇÃO NO BRASIL.
Insolação Temperatura Horizontal diária (°C) (kwh/m²/dia) 5.62 25.0 5.44 25.0 5.25 25.0 4.58 25.0 4.22 25.0 3.59 25.0 4.22 25.0 4.57 25.0 4.78 25.0 5.61 25.0 5.51 25.0 5.39 25.0
Por outro lado, é esperado que, dependendo das características de carregamento da rede e da localização dos sistemas fotovoltaicos, a inserção em larga escala dos sistemas fotovoltaicos nas redes de distribuição poderá requerer algum tipo de modificação na configuração original, seja ela por alteração do cabeamento, inclusão de reguladores de tensão ou na operação das redes. Estas conclusões podem ser encontradas na norma técnica da concessionária Copel [5], conforme mostra a Figura 3.
Capacidade Total = 21 GW
Espanha 16%
TABELA I.
Em sua tese de doutorado, Braum-Graolle (2010) simulou o fluxo de potência utilizando o programa Anarede em um típico sistema de distribuição urbano na cidade de Florianópolis, com certo nível de penetração da geração fotovoltaica e certa variação de carregamento da rede. Com base nos resultados obtidos naquela tese, o autor conclui que, a geração fotovoltaica mostrou ser capaz de oferecer benefícios ao sistema de distribuição, reduzindo picos de demanda, perda de potência e melhora no perfil de tensão da rede. Os benefícios apareceram especialmente quando há uma boa coincidência entre as situações de geração e demanda energética da rede, favorecendo a capacidade da rede [4].
Fator de Claridade (KT_bar) 0.47 0.49 0.53 0.54 0.60 0.58 0.64 0.61 0.52 0.54 0.50 0.46
Fator de inclinação 0.90 0.94 1.01 1.10 1.21 1.28 1.28 1.17 1.05 0.97 0.02 0.90 Mínimo: Média:
Arranjo da Insolalação (kWh/m²/dia) 4.90 5.13 5.31 5.05 5.12 4.73 5.42 5.46 5.03 5.45 5.15 4.83 4,73 5,13
Os dados apresentados na Tabela I indicam que o Brasil pode ter uma matriz com participação da fonte solar significativa. De fato, o Ministério de Minas e Energia outorgou, através da portaria n° 620, de 6 de julho de 2010, a construção da Central Geradora Termosolar denominada SOL Tauá, de titularidade da empresa MPX Tauá Energia Solar Ltda., com potência instalada de 5.000 kW. Um
TABELA II.
ADEQUAÇÕES NECESSÁRIAS PARA LIGAÇÃO DE GERADORES NA REDE DISTRIBUIÇÃO [5].
Classificação da tensão de atendimento BT Tipo de gerador trifásico Assíncrono ou síncrono 76kW a Faixa de potência da usina (soma da potência dos até 75kW 300kW geradores) Pingo na rede x x Tipo de conexão no sistema COPEL Linha expressa Elemento de desconexão manual Chave x x visível seccionadora Requisitos na usina Equipamentos Objetivo Especificação Trafo abaixado D / Yat. x x Isolar flutuação (exclusivo) Yat. (R0. Acesso em: 18 maio de 2011.
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