Introdução

A rede elétrica inteligente, ou Smart Grid, é algo difícil de se definir em poucas palavras. Não é uma simples tecnologia, equipamento ou metodologia. É um conceito que engloba todos esses elementos, abrangendo diversas áreas do conhecimento.

Esse conceito foi elaborado de forma a atender a demandas futuras do mercado de energia elétrica. A seguir serão apresentadas as principais funções dessa rede, a sua arquitetura, as mudanças que ela promove e exemplos de sua implementação, com enfoque nos projetos realizados em território nacional.

Motivação

Com o aumento exponencial da população do planeta, aumentaram-se proporcionalmente os problemas energéticos, principalmente os de distribuição para muitos indivíduos.

Com esse grande problema em mãos, a proposta de solução que vem sobressaindo nos últimos anos é a de tornar a geração de energia mais distribuída. Atualmente, o modelo de sistema elétrico preponderante no mundo consiste em grandes centrais geradoras, muitas vezes distantes dos grandes centros urbanos. É necessária uma longa rede de transmissão para integrar a geração aos centros consumidores, gerando perdas e custos de operação e manutenção.

No futuro espera-se que, ao invés de poucos geradores de energia, existam diversos geradores distribuídos por toda a rede, o que diminuirá as perdas já que o caminho entre fornecedores e consumidores será bem menor. Para isso é necessário controlar a interação entre os agentes geradores, consumidores, distribuidores e armazenadores de energia. Esses e muitos outros problemas serão identificados e tratados com o aumento da inteligência do sistema elétrico, utilizando redes de sensores para identificar o fornecimento e consumo de energia, tornando assim nossas cidades e nossas vidas mais inteligentes e com menos gastos desnecessários.

Smart Grid

O instituto americano de tecnologia e padrões, NIST (National Institute of Standards and Technology), define smart grid como “uma rede moderna que permite o fluxo bidirecional de energia, usando comunicação nos dois sentidos e técnicas de controle, que possibilitará novas funcionalidades e novas aplicações” [8].

O Conceito

O processo de tornar o sistema elétrico mais inteligente é uma evolução e não um evento pontual. — Agência Internacional de Energia (IEA) [12].

A smart grid deve ser interpretada mais como um conceito do que uma tecnologia específica. É uma rede elétrica que usa tecnologia de informação, sensoriamento e automação de modo a fornecer energia elétrica de forma eficiente, confiável e segura.

Dessa forma, ela contribui para uma convergência de tecnologias, além de conseguir atender cenários com fontes de energia distruibuídas e intermitentes, facilitando a integração da energia eólica, solar e outras fontes renováveis na rede nacional, como ilustra a Figura 2. Também é importante destacar que a sua implementação é um processo modular e detalharemos as suas principais partes a seguir.

Fluxograma Smart Grid — Fig. 2 - Fluxograma de conexões entre produtores e consumidores energéticos em uma *smart grid*. Adaptado de (2).

Impactos

Conforme dito anteriormente, a smart grid ajuda na conexão de fontes distruibuídas, dentro da qual temos duas categorias, separadas apenas pela sua ordem de grandeza. A microgeração se refere à centrais geradoras com potência instalada menor ou igual a 100kW, enquanto que a minigeração conta com potência instalada entre 100 kW e 1 MW, segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) [13]. O acesso dessas centrais à rede inteligente garante a participação ativa de pessoas com fontes de energia em seus domicílios ou empresas, geralmente painéis solares (como ilustra a Figura 3), no mercado de energia nacional. Além disso, temos também a integração na rede de pequenas fontes ou reservatórios de energia, como carros elétricos, representados pela Figura 4.

A integração de fontes intermitentes é um dos maiores desafios para uma matriz energética limpa. As fontes renováveis modernas, como eólica, solar e de ondas, dependem de fatores externos para a determinar a sua geração, como a presença de ventos e dias ensolarados. Dessa forma, a smart grid torna possível o armazenamento dessa energia e futura reposição para manter o equilíbro do sistema elétrico.

Fig. 3 - Placas solares para microgeração energética. Retirado de (3).

Fig. 4 - Sistema residencial de carregamento de carros elétricos. Retirado de (4).

Infraestrutura Avançada de Medição

Para que haja interconexão entre o usuário da rede e o fornecedor dos serviços, é necessário implementar uma arquitetura computacional, designada por Infraestrutura Avançada de Medição (AMI), de forma a criar uma comunicação automática e bidirecional entre o consumidor e a concessionária dos serviços através do uso de medidores inteligentes.

Medidores Inteligentes

Os medidores inteligente são dispositivos utilizados para medir o consumo de energia elétrica regularmente. O que difere esses equipamentos de medidores mais simples é o fato de que os medidores inteligentes permitem o fluxo bidirecional de energia, além de coletar uma quantidade de informações sobre o consumo muito maior do que os medidores comuns. Assim, pode ser feita uma monitoração e tarifação mais detalhada da energia, e a integração da rede elétrica como um todo é facilitada pelo grande fluxo de informações. Um exemplo de medidor inteligente pode ser visualizado na Figura 5.

Smart meter — Fig. 5 - Medidor inteligente utilizado comercialmente. Retirado de (5).

Estrutura do AMI

A estrutura do AMI é composta por basicamente três redes: HAN, NAN e WAN. Cada domicílio possui uma rede própria, do tipo HAN (Home Area Network) que conecta os dispositivos inteligentes (consumidores de energia) e as microgerações, se existirem. Todas essas informações de consumo elétrico, ocorrência de apagões e qualidade geral da utilização energética são armazenadas em um medidor inteligente.

As informações armazenadas nos medidores vizinhos compõe uma rede NAN (Neighbourhood Area Network), e cada rede desse tipo envia as informações para um concentrador de dados, que é conectado à central de gerenciamento de medição através de uma rede WAN (Wide Area Network), criando assim uma Infraestrutura Avançada de Medição. A Figura 6 exemplifica uma AMI e os seus componentes, todos gerenciados pelos três tipos de redes, HAN, NAN e WAN.

Fluxograma AMI — Fig. 6 - Fluxograma de uma AMI contendo redes HAN, NAN e WAN.

Protocolos

Para integrar inúmeros tipos de dispositivos em diversas redes, é necessário algum tipo de padrão para a comunicação entre eles fluir, algo como um idioma em que todos estão de acordo para falar. Assim como nas redes de computadores, é necessário algum tipo de protocolo para a comunicação ser bem sucedida. Como muitos dos medidores/sensores, geradores inteligentes e outros dispositivos possuem algum tipo de processamento de informação feito por microprocessadores, nada mais justo que utilizar protocolos de comunicação semelhantes ao das redes de computadores utilizadas hoje em dia.

Um dos protocolos utilzados é o DNP3, que possui funções equivalentes a algumas camadas do modelo OSI, possui funções para a multiplexação de dados e também funções de divisão e empacotamento, para uso de diversos dispositivos no mesmo meio, checagem de erro, priorização de dados, serviços de endereçamento (camada de enlace de dados), transporte (camada de transporte) e funções de aplicação (camada de aplicação), para interface entre o usuário e o sistema.

Inúmeros outros protocolos podem ser utilizados, assim como os de automação industrial já muito difundidos, por exemplo PROFINET, PROFIBUS, IEC61850 e muitos outros. O grande problema é a existência de protocolos que são propietários que muitas empresas distribuidoras de energia criam para fazer seus sistemas de automação.

Com o intuito de difundir e criar um protocolo mais aberto, foi criado o "Protocolo Aberto de Redes Elétricas inteligentes" conhecido como OSGP (The Open Smart Grid Protocol), atualmente difundido pelo mundo todo, com mais de 4 milhões de medidores inteligentes e outros dispositivos que suportam comunicação com tal protocolo. Tal protocolo possui em sua camada de aplicação um tipo de linguagem de consulta semelhante ao SQL, com fim de consultar os bancos de dados que mapeiam as redes de medidores inteligentes e outros dispositivos, consultando seus modelos, medidas entre outros atributos de cada um dos dispositivos conectados a rede.

E ainda, há o esforço da comunidade de utilizar os protocolos TCP/IP e UDP/IP em dispositivos inteligentes, devido ao grande uso de tais protocolos na internet. O uso desses protocolos facilita ainda mais a criação da internet das coisas, na qual todos os dispositivos são inteligentes e conectados a internet, já que seriam poucas mudanças necessárias para a integração desses dispositivos à rede já existente atualmente.

Uma das preocupações que surgem devido a existência dessa interligação total da rede é a segurança da smart grid, já que sempre existem fraudes ou ataques cibernéticos e físicos em todo tipo de rede, para isso sempre são pesquisados novos tipos de protocolos e infraestrutura a fim de assegurar a transmissão da energia e que não haja fraudes e furtos, como hackear as unidades de controle dos distribuidores ou como as que ocorrem nas redes de distribuição atuais como por exemplo os comumente chamados "gatos", em que são feitas ligações clandestinas não mensuradas pela distribuidora de energia. Mas a segurança é um tópico especial que deve ser enfatizado em outro trabalho.

Recursos Energéticos Distribuídos

Algumas tecnologias e conceitos necessários para a implantação da smart grid já existem e serão detalhados a seguir.

Geração Distribuída

A popularização das energias renováveis induz uma tendência de incorporar esse tipo de energia aos sistemas de distribuição da energia elétrica, assim como geradores de médio porte (até 30 MW), conectando-os diretamente à rede de transmissão. Alguns exemplos de fontes de energia renováveis que contribuem para a geração distribuída são:

Solar
Eólica
Geotérmica
Maremotriz

Fig. 7 - Aerogerador utilizado para transformar energia eólica em energia elétrica. Retirado de (6).

Maremotriz Fig. 8 - Turbinas utilizadas para aproveitar a corrente marítima e gerar energia elétrica. Retirado de (7).

Armazenamento de Energia

Conforme a demanda por energia elétrica aumenta, é necessário implementar sistemas de armazenamento da energia gerada, com a finalidade de realizar um ajuste fino da demanda e evitar sobrecargas. Algumas tecnologias de armazenamento já existem, como hidrelétricas com reservatórios e baterias de carros elétricos.

A utilização das baterias de carros elétricos poderiam ser feitas de forma que, quando a oferta energética estivesse maior que a demanda, as baterias seriam carregadas, e quando a demanda estivesse maior que a oferta, as baterias se descarregariam, oferecendo a energia armazenada para suavizar a demanda da rede.

Projetos-Piloto

Embora o processo seja lento, existem iniciativas de implementação de redes elétricas inteligentes em todo o mundo. Grandes empresas veem Redes Inteligentes como o futuro da distribuição de energia, e no Brasil não é diferente. Existem projetos-piloto em quase todas as regiões do Brasil, devido ao projeto de pesquisa e desenvolvimento de redes inteligentes dado pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica). O país também investe na pesquisa de redes inteligentes enviando alunos custeados por bolsas para universidades do exterior que possuem projetos de pesquisa sobre esse assunto com a finalidade de trazer para o país as tecnologias atuais em tal área de pesquisa.

No Brasil

Em inúmeras áreas do país existem projetos-piloto de smart grid apoiados por 36 concessionárias de distribuição energética. Esses projetos estão espalhados nas regiões sul, sudeste, norte e nordeste. O projeto com maior número de consumidores, tendo no planejamento atual 400 mil deles, é o projeto-piloto realizado pela LIGHT na Área Metropolitana do Rio de Janeiro. Esse projeto contempla essencialmente a parte de medição, feito com a implantação de AMI e representa ainda os primeiros passos rumo a uma rede inteligente.

O segundo projeto em número de consumidores atingidos pela rede é a realizada pela Eletropaulo, com 84 mil consumidores, envolvendo os municípios de Barueri, Vargem Grande e Caucaia do Norte e também não está preparado para o armazenamento de energia, assim como o anterior. Uma lista com os demais projetos existentes no país está a seguir [14].

Smart Grid Light (Light) - Rio de Janeiro/RJ: 400.000 consumidores.
Smart Grid (AES Eletropaulo) - Barueri e outras localidades/SP: 84.000 consumidores.
Cidade Inteligente Aquiraz (Coelce) - Fortaleza/CE: 19.000 consumidores.
Paraná Smart Grid (Copel) - Curitiba/PR: 10.000 consumidores.
Cidades do Futuro (Cemig) - Sete Lagoas/MG: 8.000 consumidores.
Parintins (Eletrobras Amazonas Energia) - Parintins/AM: 5000 consumidores.
Arquipélago de Fernando de Noronha (CELPE) - Ilha de Fernando de Noronha/PE: 1.000 consumidores.

Fig. 9 - Mapa do Brasil destacando os estados que possuem projetos piloto de Redes Inteligentes e a quantidade relativa de consumidores. Adaptado de (8).

No Mundo

Existem diversos projetos pilotos pelo mundo, grandes e pequenos mas na maioria financiados por grandes empresas como os da Europa e dos EUA. Podem ser listados projetos nos cinco continentes. Na Europa existem mais de 460 projetos de smart grid distribuidos por todos os países da união européia. Mas os projetos que gostaríamos de realçar são os do Canadá.

No Canadá existem diversos tipos de projetos de estudo que visam geração distribuída, integração de microgeradores, medidores inteligentes, e um projeto de uma rede inteligente de pequena escala. Criados no Instituto de Tecnologia de British Columbia (BCIT) na cidade de British Columbia em Vancouver. Estes projetos servem para estudo de sensores e treinamento de habilidades para um futuro aumento de escala da rede para atendar toda a população de Vancouver. No mesmo instituto existe o projeto da rede de estações de carregamento rápido de carros elétricos, com fim de carregá-los em cerca de minutos ao invés de horas como normalmente é hoje em dia, e também como estudo de fontes intermitentes na micro-rede por eles criadas, a fim de fazer testes de estresse da mesma.

Tal projeto serve como estímulo para criação de mais redes do tipo no Brasil, e utilizar os espaços universitários para ajudar na conscientização da população para tais projetos de suma importância na sociedade atual.

Conclusão

A obsolescência da rede elétrica atual, que no futuro não será capaz de suprir a crescente demanda dos consumidores, estimula a necessidade de uma melhoria da rede. Uma possibilidade de mudança bastante estudada atualmente é a integração dos sistemas de energia elétrica denominada smart grid, que tem como objetivo aumentar o desempenho da rede elétrica através de economias na produção e na operação, aumento da estabilidade da rede e redução da poluição, além de se mostrar como um sistema mais barato e menos suscetível à falhas.

Apesar das melhorias trazidas pela modernização da rede, a mesma implica na necessidade de investimentos em diversas áreas, como pesquisa, infra-estrutura e segurança, e por ser um tema complexo e ainda não estar totalmente desenvolvido, é necessária a formulação de projetos bem estruturados para a sua implementação gradual.

Perguntas

Quais seriam os benefícios de utilizar uma rede inteligente ao invés da rede de distribuição clássica?
Por que o conceito de smart grid ainda não foi implementado completamente em alguma cidade do Brasil? Quais são os desafios?

smart grid

Quais são as três redes que compõe uma Infraestrutura Avançada de Medição e como elas são interligadas?
Como a bateria de carros elétricos poderia ajudar a estabilizar a rede elétrica de uma smart grid?
Por que a presença de dispositivos inteligentes em uma smart grid pode afetar a segurança da rede?

Referências

[1] P. Piagi and R. H. Lasseter, “Autonomous control of microgrids,” in Power Engineering Society General Meeting, 2006. IEEE. IEEE, 2006, pp. 8–pp.

[2] L. C. Neves and A. Bagarolli, “Os desafios da implementação dos projetos-piloto de smart grid no brasil,” Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, vol. 9, no. 1, pp. 15–22, 2013.

[3] D. M. Falcão, “Integração de tecnologias para viabilização da smart grid,” III Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, pp. 1–5, 2010.

[4] ——, “Smart grids e microrredes: o futuro já é presente,” Simpósio de automação de sistemas elétricos, vol. 8, 2009.

[5] F. Katiraei, R. Iravani, N. Hatziargyriou, and A. Dimeas, “Microgrids management,” Power and Energy Magazine, IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 54–65, 2008.

[6] J. Driesen and F. Katiraei, “Design for distributed energy resources,” Power and Energy Magazine, IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 30–40, 2008.

[7] G. Venkataraman and C. Marnay, “A larger role for microgrids,” Power and Energy Magazine, IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 78–82, 2008.

[8] N. Framework, “Roadmap for smart grid interoperability standards, release 2.0 (2012),” NIST Special Publication, vol. 1108.

[9] A. Bose, “Smart transmission grid applications and their supporting infrastructure,” Smart Grid, IEEE Transactions on, vol. 1, no. 1, pp. 11–19, 2010.

[10] C. Goldman, “introduction: Smartgrid 101”, electricity markets and policy group, lawrence berkeley national laboratory,” Disponível em http://smartresponse.lbl.gov/reports/chapter1-3.pdf (24/05/2016).

[11] Department of Energy, Office Of Electricity Delivery and Energy reliability, “The smartgrid: An introduction,” Disponível em https://www.smartgrid.gov/files/sg introduction.pdf (24/05/2016).

[12] International Energy Agency, “Techonology roadmap - smart grids,” Disponível em https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/smartgrids roadmap.pdf (11/06/2016).

[13] Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), “Micro e minigeração distribuída,” Disponível em http://www2.aneel.gov.br/biblioteca/downloads/livros/cadernotematico-microeminigeracao.pdf (11/06/2016).

[14] Lista de projetos-piloto no Brasil, Disponível em http://redesinteligentesbrasil.org.br/projetos-piloto-brasil.html (02/07/2016)

[15] Repositório de Projetos de Redes Inteligentes do Canadá. Disponível em http://sgcanada.org/repository/ (10/07/2016)

[16] Projetos da British Columbia Institute of Technology Disponível em http://www.bcit.ca/microgrid/projects.shtml (10/07/2016)

Lista de Figuras

(1) Foto de Capa: https://www.nasa.gov/mission_pages/NPP/news/earth-at-night.html#.V3-qO7grKUk

(2) http://www.smartgrids.eu/img/ENISA%2016012015.jpg

(3) https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panel

(4) http://www.livinglab-bwe.de/tag/elektroauto/

(5) https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_meter

(6) https://www.pexels.com/photo/renewable-energy-wind-generator-wind-turbine-environment-8546/

(7) https://energiainteligenteufjf.com/2013/07/31/energia-das-mares-maremotriz

(8) http://redesinteligentesbrasil.org.br

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