Rede inteligente para fornecimento de eletricidade estável e confiável

A maior simulação já feita desse tipo, modelada na rede elétrica do Texas, concluiu que os consumidores podem economizar cerca de 15% em suas contas anuais de eletricidade por meio de parcerias com concessionárias. Nesse sistema, os consumidores coordenariam com o operador da concessionária de energia elétrica para controlar dinamicamente os grandes usuários de energia, como bombas de calor, aquecedores de água e estações de carregamento de veículos elétricos.

Esse tipo de controle flexível sobre o fornecimento e os padrões de uso de energia é chamado de “transativo” porque depende de um acordo entre consumidores e concessionárias. Mas um sistema de energia transativo nunca foi implantado em larga escala e há muitas incógnitas. É por isso que o Escritório de Eletricidade do Departamento de Energia convocou os especialistas em energia transativa do Pacific Northwest National Laboratory para estudar como esse sistema pode funcionar na prática.

Hayden Reeve, especialista em energia transativa do PNNL e consultor técnico, liderou uma equipe de engenheiros, economistas e programadores que projetaram e executaram o estudo.

“Como a rede do Texas é bastante representativa do sistema de energia do país, ela não apenas permitiu a modelagem e simulação de conceitos transativos, mas forneceu uma extrapolação confiável dos resultados e potenciais impactos econômicos para a rede e os clientes mais amplos dos Estados Unidos”, disse ele.

A simulação mostrou que, se um sistema de energia transativa fosse implantado na rede do Electric Reliability Council of Texas (ERCOT), as cargas de pico seriam reduzidas em 9 a 15%. Essa economia pode se traduzir em benefícios econômicos de até US$ 5 bilhões por ano somente no Texas, ou até US$ 50 bilhões por ano se implantado em todo o território continental dos Estados Unidos. A economia equivaleria à produção anual de 180 usinas a carvão em todo o país.

Até agora, a maioria das pessoas experimentou ou testemunhou como extremos climáticos ou desastres naturais podem causar estragos em nossos sistemas de distribuição de energia. Essa vulnerabilidade é ampliada por nossa dependência de algumas fontes de energia centralizadas e um sistema de rede que às vezes se esforça para combinar a oferta com a demanda. Além disso, a descarbonização da rede elétrica significará que mais e mais energia virá de diferentes tipos de fontes de energia renovável, como eólica e solar. Portanto, evitar picos ou quedas repentinos – manchas marrons ou pretas – torna-se primordial.

Os resultados do estudo indicam que um sistema de energia transativo reduziria as oscilações diárias de carga em 20 a 44%. E à medida que mais veículos elétricos entram em uso, o estudo mostrou que as estações de carregamento de veículos inteligentes fornecem reduções ainda maiores de carga de pico elétrica porque oferecem flexibilidade adicional em tempos de carregamento programados e consumo de energia.

“Uma rede inteligente pode atuar como um amortecedor, equilibrando as incompatibilidades entre oferta e demanda”, disse Reeve.

Um componente-chave para essa estratégia é a adoção de dispositivos inteligentes e controles de carga. Esses recursos dinâmicos podem aprender a consumir energia de forma mais eficiente, ajustando seu uso por breves períodos para liberar eletricidade para outras necessidades. Por exemplo, em vez de carregar um veículo elétrico no início da noite quando a demanda e o preço de energia são altos, os participantes de energia transativa dependem de um controle de carga inteligente para atrasar o carregamento de seu veículo até que a demanda seja baixa e a eletricidade mais barata. Essa abordagem não apenas reduz o estresse na infraestrutura de rede existente, mas também permite que as concessionárias tenham mais tempo para planejar a infraestrutura de armazenamento e distribuição de energia de próxima geração que está atualmente em desenvolvimento.

Em um sistema de energia transativo, a rede elétrica, residências, prédios comerciais, eletrodomésticos e estações de recarga estão em constante contato. Os dispositivos inteligentes recebem uma previsão dos preços da energia em vários momentos do dia e desenvolvem uma estratégia para atender às preferências do consumidor, reduzindo o custo e a demanda geral de eletricidade. Um mercado varejista local, por sua vez, coordena a demanda geral com o mercado atacadista maior. Todas as partes negociam os níveis de aquisição e consumo de energia, custo, prazo e entrega em um esquema de preços dinâmico.

Este conceito já está sendo implantado em um projeto de demonstração no Eco-Distrito da cidade de Spokane. Aqui, a equipe de pesquisa está desenvolvendo e testando um esquema de coordenação de energia transativa e um mercado de varejo. A abordagem também inclui o uso de agentes de software transativo concebidos pelo PNNL.

A rede elétrica primária do Texas (ERCOT) forneceu a base para a análise mais ampla do PNNL. Os pesquisadores criaram modelos altamente detalhados que representavam a rede de energia ERCOT, incluindo mais de 100 fontes de geração de energia e 40 utilidades diferentes operando no sistema de transmissão. A análise também incluiu representações detalhadas de 60.000 residências e empresas, bem como seus aparelhos consumidores de energia.

Os pesquisadores usaram os modelos para realizar várias simulações em vários cenários de geração de energia renovável. Cada simulação demonstrou como o sistema de energia reagiria à adição de diferentes quantidades de fontes de energia intermitentes, como eólica e solar. A equipe de pesquisa também desenvolveu um modelo econômico detalhado para entender os impactos de custos anuais para operadoras e clientes. Por fim, eles analisaram os custos iniciais associados às despesas com mão de obra e software, bem como os custos de compra e instalação de dispositivos inteligentes em residências e empresas.

Outro objetivo importante do estudo incluiu avaliar o impacto de um novo tipo de mediador na economia da rede. Essa entidade, chamada de operador do sistema de distribuição, seria obrigada a gerenciar uma rede que possui múltiplas fontes de energia pertencentes e operadas por entidades distintas, todas contribuindo com energia para a rede em momentos e quantidades diferentes. Além disso, esse operador do sistema de distribuição negociaria as transações com os clientes que permitem o controle flexível da carga.

No geral, a pesquisa do PNNL mostrou benefícios claros de reimaginar como a rede elétrica poderia acomodar um futuro em que a energia renovável limpa é um contribuinte muito maior e mais de nossas necessidades de transporte dependem do acesso imediato à eletricidade.