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

Workshop EnergiaSmart Grids

Giovanni Manassero Junior

Depto. de Engenharia de Energia e Automação ElétricasEscola Politécnica da USP

Julho/2015


Sistemas elétricos de potênciaEvolução e aspectos responsáveis pelas mudanças

As mudanças pelas quais passaram os sistemas elétricos de potêncianão podem ser explicadas exclusivamente por aspectos técnicos;

Normalmente essas mudanças envolvem aspectos técnicos ecientíficos, econômicos, políticos e organizacionais;

Apesar de refletirem o contexto em que se inserem, os sistemas depotência têm dinâmica própria;

Isto significa que esses sistemas produziram modificações profundasna sociedade e, em contrapartida, foram modificados por essa mesmasociedade.


ConsolidaçãoPennsylvania (1900 e 1930)


EstruturaOs pilares de indústria de Insull

O modelo da estrutura descrita foi estabelecido por Samuel Insull apartir da empresa Chicago Edison Company ;

A sua visão baseou-se em quatro pilares fundamentais:

Consumo de massa: consumidores ligados a uma rede elétricainterconectada e confiável;

Economia de escala: aumento na produção de energia elétrica eaumento da eficiência dos sistemas;

Estratégia de marketing: descontos proporcionais ao consumo deenergia elétrica (sell more and charge less);

Regulação: estabilidade de investimentos a uma indústria decapital intensivo e grande interação política.


Desafios técnicosComo garantir a operação desses sistemas?

Qualquer sistema elétrico de potência deve garantir o suprimento deenergia aos consumidores, de forma confiável e ininterrupta,respeitando os limites de variação de frequência e tensão;

Neste contexto, os grandes desafios técnicos dos sistemas elétricosinterligados 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 nosequipamentos que compõem os sistemas, perda de grandesblocos de carga, etc.


OperaçãoFerramentas

Em meados da década de sessenta, a indústria de energia elétricainiciou o uso da eletrônica analógica e digital para efetuar omonitoramento, a automação e o controle dos sistemas elétricos depotência;

Além disso, os avanços na tecnologia da computação permitiram aelaboração e utilização de ferramentas computacionais para asimulação dos sistemas elétricos de potência, de modo a planejar suaoperação durante contingências;

Atualmente, a utilização de equipamentos e ferramentascomputacionais para esse fim é bastante difundida nas usinas degeração de energia elétrica, bem como nos sistemas de transmissão e,em menor escala, nas redes de distribuição.


Quantidade de movimentoObjetivos comuns para a consolidação dos sistemas elétricos

Ativos dos sistemas;

Profissionais envolvidos;

Agentes governamentais;

Sociedades profissionais; e

Instituições educacionais.


Novos paradigmasA 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 meioambiente;

Independência de fontes de energia não-renováveis; e

Eficiência energética.

Redirecionar os propósitos da indústria de energia elétrica para acomercialização e, simultaneamente, para a economia de energiaelétrica pode colocar em xeque os modelos de gerenciamento atuais,os meios de financiamento e os mecanismos de regulação.


Novos paradigmasRedução 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-derivedfuels).

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 equip-ment. Direct use is exclusive of station use.

Notes: • Data are preliminary. • See Note 1, “Electrical System Energy Losses,” at theend of EIA, Monthly Energy Review (March 2015), Section 2. • Net generation of electricityincludes pumped storage facility production minus energy used for pumping. • Values arederived from source data prior to rounding for publication. • Totals may not equal sum ofcomponents 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 OperationsReport."


Novas direçõesO fim da era Insull

À medida que a indústria de energia elétrica caminha para a mudançanas 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 podemudar significativamente;

A prevalência de grandes usinas de geração de energia elétrica e docontrole centralizado deve ser sucedida pela presença de pequenasunidades geradoras e inteligência descentralizada;

No centro dessa transformação se encontram as redes elétricasinteligentes.


O fim de uma eraA última estação para fornecimento em corrente contínua


DefiniçõesComo 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, noque se refere à produtividade, eficiência energética, qualidade edesempenho ambiental.


Em direção às smart gridsProcesso de modernização das redes elétricas inteligentes

A modernização das redes elétricas de potência é necessária paragarantir o crescimento da sociedade industrial;

O processo de modernização das redes elétricas é baseado nasseguintes premissas:

Confiabilidade: antecipação dos problemas relacionados aosequipamentos (técnicas de manutenção baseadas na condição) ecapacidade de suportar distúrbios (minimização da interrupção nofornecimento);

Segurança: tolerância a ataques físicos e cibernéticos, de forma aminimizar a interrupção no fornecimento e os custos relativos aorestabelecimento do sistema. Além disso, segurança para aspessoas que manuseiam a rede (consumidores e as equipes demanutenção);


Em direção às smart gridsProcesso de modernização das redes elétricas inteligentes

O processo de modernização das redes elétricas é baseado nasseguintes premissas (cont.):

Economia: operação sob regras de oferta e demanda, resultandono aperfeiçoamento dos modelos de precificação e nogerenciamento adequado das reservas de energia;

Eficiência: redução das perdas técnicas na transmissão edistribuição, aumento no rendimento da geração e melhoria nagestão dos ativos;

Impacto reduzido: aumento do acesso a fontes renováveis deenergia, redução no impacto da geração de energia por meio defontes não renováveis, conscientização do consumidor pararedução do desperdício.


Em direção às smart gridsVisão sobre as redes elétricas inteligentes

Esse processo requer o envolvimento das concessionárias do setorelétrico, consumidores, políticos, agentes reguladores, etc.

To revolutionize the electric system by integrating 21st century technology toachieve 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 toautomatically control their use and self-production, lowering their power costsand offering other benefits such as increased reliability to the system as a whole.

Peter Fox-Penner


Smart GridsCaracterísticas das redes elétricas inteligentes

As características desejáveis para as redes elétricas inteligentes são:

Participação dos consumidores;

Capacidade de acomodação de autoprodutores de energiaelétrica;

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.


Características das smart gridsParticipação dos consumidores

Para que seja possível garantir a participação dos consumidores deenergia elétrica deve-se permitir a troca de informações e de energia;

Atualmente, a tecnologia que possibilita essa troca é a infraestrutura demedição avançada (AMI – Advanced Metering Infrastructure);

A troca de informações e energia possibilita a implantação deprogramas de resposta pelo lado da demanda e o peak shaving.


Participação dos consumidoresNúmero de publicações

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

545

849

1280

1690

2450

2970

3750

2260

ANO

NO

. PU

BL

ICA

ÇÕ

ES load management, pricing,

load patterns, storage,communications

keywords:+demand +response +ieee +iet


Características das smart gridsCapacidade de acomodação de autoprodutores

Normas e procedimentos para a interconexão de autoprodutores deenergia elétrica;

A acomodação de um grande número de autoprodutores requerestudos para determinação do impacto de sua indisponibilidade nosíndices de confiabilidade dos sistemas elétricos convencionais;

Deve-se levar em consideração também o aspecto econômico e asquestões ambientais;

Incentivos fiscais e/ou econômicos para a instalação de geraçãodistribuída e unidades de armazenamento de energia pode resultar emcrescimento no interesse dos investidores.


Capacidade de acomodação de autoprodutoresNúmero de publicações

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

554

10501450

2210

3100

4120

5430

3390

ANO

NO

. PU

BL

ICA

ÇÕ

ES microgrids, impacts,

power electronics, controltechniques, energy

management

keywords:+distributed +energy +resources +ieee +iet


Características das smart gridsViabilização de novos produtos/serviços

A viabilização de novos produtos e serviços depende da consolidaçãodas políticas, regulamentações, tecnologias, incentivos efinanciamentos;

Dentre os novos produtos pode-se ressaltar:

Veículos elétricos: podem substituir parte da frota de veículos àcombustão e, portanto, podem surgir como um novo mercadopara a indústria de energia elétrica;


Viabilização de novos produtos/serviçosNúmero de publicações

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

280396

757

1050

1580

2140

2970

1780

ANO

NO

. PU

BL

ICA

ÇÕ

ES electric machines,

drives, converters,impacts, storage

keywords:+electric +vehicles +ieee +iet


Características das smart gridsQualidade de energia

Nem todos os consumidores possuem os mesmos requisitos no que serefere à qualidade da energia elétrica entregue pelas concessionárias;

Os consumidores mais afetados são aqueles que empregamequipamentos eletrônicos;

Esses equipamentos normalmente são susceptíveis às variações nosníveis de tensão, mesmo que momentâneas, e à presença de conteúdoharmônico;

Microrredes e DER podem contribuir para mitigar esse problema (p. ex.a geração distribuída pode contribuir com a manutenção dos níveis detensão nas redes e as microrredes podem operar de maneiraindependente da infraestrutura de distribuição).


Qualidade de energiaNúmero de publicações

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

72163

294

569

1000

1390

1890

1280

ANO

NO

. PU

BL

ICA

ÇÕ

ES fault classification, detection,

advanced metering infrastructure,converters, microgrids

keywords:+power +quality +smart +grids +ieee +iet


Características das smart gridsOtimização dos ativos e eficiência energética

A busca pela eficiência energética passa necessariamente pelosconsumidores de energia elétrica, bem como pelas concessionárias dedistribuição, transmissão e geração;

Consumidores que possuem uma certa quantidade de informaçõespodem contribuir ativamente com a redução do desperdício de energiaelétrica, por meio de mudanças em seus hábitos de consumo;

No caso das concessionárias, a eficiência energética pode ser obtidacom a substituição, ainda que gradual, dos equipamentos e sistemasmenos eficientes, bem como com a utilização de técnicas de controleque possam contribuir com a redução das perdas técnicas e docongestionamentos das redes elétricas.


Otimização de ativosNúmero de publicações

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

20

5069

110

180

235

264

178

ANO

NO

. PU

BL

ICA

ÇÕ

ES predictive maintenance,

dynamic thermal rating, automation, storage, volt/var

keywords:+assets +optimization +smart +grids +ieee +iet


Características das smart gridsOperação resiliente a distúrbios

Resiliência é a energia armazenada num corpo deformadoelasticamente, que é devolvida quando cessam as tensões causadorasdas deformações. Isto é, resiliência corresponde à energia potencial dedeformação. Em outras palavras, resiliência é a propriedade de umcorpo de recuperar a sua forma original após sofrer choque oudeformação;

Diz-se que uma rede elétrica é resiliente a distúrbios quando é capazde isolar rapidamente as regiões afetadas pelos distúrbios, seminterromper o fornecimento de energia elétrica às outras regiões;


Características das smart gridsOperação resiliente a distúrbios

O processo de automação das subestações, das linhas de transmissãoe das redes de distribuição pode contribuir para aumentar a suaresiliência;

O avanço no emprego dos sincrofasores contribui para melhorar apercepção do estado das redes elétricas, do ponto de vista sistêmico.


Operação resiliente a distúrbiosNúmero de publicações

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

8

22

40

62

114

166

145

75

ANO

NO

. PU

BL

ICA

ÇÕ

ES

keywords:+self +healing +smart +grids +ieee +iet


Obrigado!

Prof. Dr. Giovanni Manassero JuniorEscola Politécnica da Universidade de São Paulo

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elé[email protected]

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