The Smart Grid and Technologies

Chapter 1, The Smart Grid, A Resume

1.1. Introdução

O sistema elétrico desenvolvido para grande escala na transmissão de energia tem em torno de 70 anos de existência. Os sistemas de geração convencionais podem injetar nas redes de transmissão em torno potências da ordem de 100 MW.

Em tese, a energia gerada parte dos sistemas de geração, passa pelos sistemas de transmissão onde a tensão é elevada para valores de alta e extra alta tensão de forma que esta possa ser transmitida para
grandes distâncias, podendo, assim, chegar aos centros consumidores.

Nos centros consumidores, a energia passa por sistemas que abaixam os valores de tensão para que se possa usar esta energia em equipamentos domésticos e que estão na ponta do sistema. Desta forma, é possível perceber que existe um processo e um caminho que passa da geração, segue pela transmissão e chega até a carga pelos sistemas de distribuição.

A partir desta demanda, os sistemas de geração, transmissão e distribuição passaram a necessitar de uma melhor comunicação entre si. Além disso, percebeu-se que havia a possibilidade do que eram chamadas cargas passivas - as quais estavam instaladas normalmente nos sistemas de distribuição - poderiam passar a contribuir com a geração de energia, injetando esta energia remanescente na rede de distribuição diretamente e fazendo, assim, com que houvesse maior confiabilidade no fornecimento de energia elétrica para a carga conectada às redes de distribuição.

Com a entrada dos Smart Grids em operação, fez-se possível haver uma melhor comunicação entre os sistemas de geração, transmissão e distribuição, a fim de tornar mais eficiente a operação do sistemas envolvidos no que tange, principalmente, a transmissão e a distribuição de energia elétrica. Com a melhoria dos sistemas de comunicação entre os sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia, tornou-se possível um melhor monitoramento das condições de operação dos sistemas, baseados em dados analisados praticamente instantaneamente, de forma que eventos indesejáveis pudessem ser previstos e também pudessem ser extintos com um menor tempo de delay dos sistemas de proteção, além de possibilitar quantizar de maneira cada vez mais clara o quanto de energia tem sido fornecido, o quanto se recebe e o quanto se perde em meio aos sistemas citados até aqui.

Entretanto, os Smart Grids ainda representam um grande desafio para os sistemas elétricos de potência, dado ao fato de o sistema tradicional já estar em operação a mais de 70 anos, como mencionado acima, e os Smart Grids serem uma tecnologia que ainda não pôde ser implantada de forma contundente, dado o tamanho da demanda e do sistema já implementado e em operação. Ainda, é importante ressaltar que não é possível se realizar grandes alterações na topologia do sistema de forma que este sofra mudanças bruscas e isso não é possível pelo fato de que não há mais a possibilidade de pausar a operação para se instalar a nova tecnologia.

Ainda, também é importante ressaltar que os Smart Grids ainda estão fora dos interesses dos grandes investidores, o que barra de certa forma a implementação destes sistemas na rede. Isso faz com que haja um grande entrave no desenvolvimento de uma rede inteligente devido à dificuldade de se implementar sistemas inteligentes que permitam que a rede funcione de forma mais inteligente, mais eficiente e que possa ser mais flexível no sentido de permitir que novas fontes de energia sejam acopladas a rede, oferecendo contribuições para a geração de energia, fazendo com que esta geração seja dada de forma distribuída e permitindo, assim, que haja menores perdas devido aos sistemas de transmissão e já colocando diretamente na rede de distribuição a energia gerada nos pontos de carga, deixando assim o estado de carga passiva e passando a ser uma carga ativa no sistema.

1.2. Por Que Implementar os Smart Grids Agora?

Existem muitos motivos para se implementar os Smart Grids agora, porém, para fins mais didáticos, destacam-se 5 principais motivos, os quais serão expostos a seguir.

1.2.1. Envelhecimento do Sistema e Falta de Capacidade dos Circuitos Já Existentes

Em muitos países, os sistemas de potência se desenvolveram rapidamente a partir da década de 50. Isso, para os dias de hoje, mostra que há um sistema de potência bem envelhecido, o que impossibilita o acoplamento de novas tecnologias em muitos casos.

Porém, há uma grande necessidade de que se haja a instalação de sistemas que permitam uma melhor flexibilidade do sistema já implementado, uma vez que cada vez mais tem se explorado o uso de energias renováveis e que há também uma maior necessidade de se acoplar essa energia aos sistemas de transmissão e distribuição de energia, para que haja uma maior confiabilidade no fornecimento de energia para as cargas, inclusive cargas especiais como hospitais, por exemplo.

Desta forma, nota-se que há uma necessidade imediata na implementação dos Smart Grids na rede, devido à necessidade de se aprimorar as condições operativas do sistema que já existe e que, de forma prática, possa haver uma melhor eficiência na operação do sistema de potência já implementado. 

1.2.2. Restrições Térmicas

As restrições térmicas se apresentam quando há grandes valores de corrente, as quais costumam estar presentes nos sistemas de transmissão, em particular. Normalmente, correntes de grande intensidade podem gerar a dissipação de grandes quantidades de calor e, este calor, faz com que o isolamento dos equipamentos acoplados a rede sofram danos consideráveis, fazendo, assim, com que estes equipamentos apresentem uma menor vida útil devido à esse sobreaquecimento.

Ainda, valores altos de correntes pode fazer com que os sistemas de proteção atuem, devido ao fato destes entenderem que há algum desequilíbrio nas correntes presente no sistema, causando assim o desligamento do sistema e comprometendo a confiabilidade do sistema.

1.2.3. Restrições Operacionais

Todo o sistema já existente foi projetado para operar com as suas fases equilibradas, ou seja, com defasagem angular de 120° e módulo das tensões das fases exatamente iguais, porém, é praticamente impossível que haja uma condição tão específica e tão particular como esta. Em outras palavras, o sistema foi projetado para funcionar com tensões e a frequência definidas, o que não se pode garantir durante a operação do sistema.

Isto implica no fato de que, sobretensões podem levar os equipamentos a sofrerem curto-circuitos e valores baixos de tensão podem provocar mal funcionamento dos equipamentos conectados à rede. Logo, é necessário que se haja tecnologias que permitam que o sistema garanta estas condições para o funcionamento de toda a carga acoplada a ele, ou seja, é necessário que se haja limites de tensão e frequência que não serão prejudiciais aos equipamentos

Desta forma, nota-se que o sistema tem oferecido restrições operacionais para a operação de cargas que tem se modernizado cada vez mais, fazendo com que haja mais ainda a necessidade de se instalar um sistema que permita que a rede se torne mais eficiente e mais inteligente.

1.2.4. Segurança do Fornecimento

Atualmente, a sociedade está cada vez mais conectada pelas redes sociais e pelos equipamentos que cada vez mais necessitam de fornecimento de energia constante. Atualmente, tem sido desenvolvida a tecnologia para os carros elétricos, celulares cada vez mais modernos e sistemas de comunicação que funcionam com um sistema de alimentação cada vez mais autônomo.

Em suma, uma das maiores necessidades da atualidade está em garantir que haja um fornecimento contínuo de energia para que os equipamentos mantenham as pessoas realizando suas tarefas a qualquer hora do dia.

Desta forma, mais uma vez, faz-se necessário haver um sistema que torne a rede mais inteligente e mais confiável, de maneira a permitir que estes equipamentos possam sempre ser alimentados devidamente e possam ter seu funcionamento garantido por um sistema de rede inteligente. 

1.2.5. Iniciativas Nacionais

Nos dias atuais, todos os países desejam possuir um sistema confiável e inteligente, de forma que sua população possa contar um fornecimento de energia que atenda as necessidades das pessoas de forma a garantir uma maior produtividade em suas ocupações e em seus momentos de lazer também.

Um sistema inteligente garante que o país possa ter sistemas de apoio mais eficientes para as pessoas, como por exemplo, garantir que hospitais funcionem de forma contínua e sem interrupções. Também, é possível garantir que os órgãos de segurança possam desempenhar sua função sem maiores problemas devido ao mau funcionamento do seu sistema de potência.

Ainda, com o avanço das fontes de energia renovável, todas as nações têm procurado formas de garantir um sistema mais robusto e que garantam segurança, confiabilidade e estabilidade para atender a demanda de energia que existe por parte da sua população e para que suas tecnologias possam ser desenvolvidas de maneira eficiente e assertiva.

1.3. O Que São Smart Grids?

Existem algumas definições de Smart Grids, assim, não há uma definição exata do que são os Smart Grids. De uma maneira geral, Smart Grids são definidos como uma combinação de várias tecnologias, soluções e endereços para o usuário final de maneira que a rede possa oferecer energia elétrica através da combinação de maneiras de geração a partir de pontos da carga que deixam de serem pontos de cargas passivas para serem cargas ativas.

De qualquer forma, existe mais de uma definição de Smart Grids, o que não torna tão clara a definição deste tipo de tecnologia.