Usina Virtual da Tesla: Transformando a Rede Elétrica Global

Considere a rede elétrica. Ela cobre a maior parte do mundo. Sua existência e confiabilidade definiram o mundo moderno por muito mais tempo do que a maioria de nós está viva. Devemos a maior parte, se não toda, a tecnologia de um século à rede.

A rede só pode operar hoje graças a milhões de dispositivos sofisticados e interconectados trabalhando juntos em padrões complexos. No entanto, ela foi construída para geração centralizada com pontos mínimos de controle, e depende de combustíveis fósseis — conceitos que estão todos enraizados no século XX.

Como seria a rede elétrica se fosse redesenhada hoje do zero? Essa é uma pergunta que os engenheiros da Tesla, Colin Breck e Percy Link, enfrentaram recentemente. A resposta deles envolve construir imensa resiliência através de tecnologias de código aberto e gêmeos digitais. Eles compartilharam seus insights em uma conferência recente no Reino Unido.

À medida que mais energia renovável entra na rede existente, os cálculos complexos de oferta e demanda tornam-se mais difíceis de fazer com a precisão necessária. Um grau de controle é perdido, e a geração torna-se mais difícil de prever.

Em locais onde a energia eólica e solar já é comum, baterias ajudaram a mitigar esses problemas. Elas podem responder muito rapidamente a picos e vales inesperados de uso, carregando e descarregando conforme necessário.

"Essa resposta rápida é na verdade uma inovação, uma oportunidade de ser melhor que a rede antiga", diz Link. "Não é apenas um compromisso."

Baterias são chave para a reimaginação da rede por esses engenheiros. Além de criar baterias gigantes do tamanho de usinas a carvão ou gás natural existentes, eles também propuseram aproveitar o poder de baterias menores instaladas em residências e empresas — baterias mais tipicamente usadas a serviço de geração solar privada ou energia de backup.

"Podemos agregar residências e empresas com essas baterias menores e solar em usinas virtuais de energia", diz Link.

A arquitetura de usina virtual de energia (VPP) depende de recursos energéticos distribuídos — baterias seriam um exemplo, mas energia eólica e solar são frequentemente usadas também. Uma rede desses recursos se une para gerar energia com maior flexibilidade e disponibilidade.

Na usina virtual da Tesla, modelos de gêmeos digitais representam vários ativos de Internet das Coisas (IoT) no sistema, bem como seus estados atuais e relacionamentos. O software de modelagem de gêmeos digitais depende de dois projetos-chave de código aberto: Kubernetes e Akka.

"O emparelhamento de Akka e Kubernetes é realmente fantástico", diz Breck. "O Kubernetes pode lidar com falhas e escalonamento de granulação grossa, então seriam coisas como escalar pods para cima ou para baixo, executar sondas de vivacidade, ou reiniciar um pod falho com backoff exponencial. Então usamos Akka para lidar com falhas de granulação fina como circuit breaking ou retentativa de uma requisição individual e modelar o estado de entidades individuais, como o fato de uma bateria estar carregando ou descarregando."

Ao modelar um gêmeo digital em Akka, cada local de modelagem é representado por um ator. Como explica o TechRepublic, "O programador se preocupa em modelar um local individual em um ator, e então o runtime do Akka lida com o escalonamento isso para milhares ou milhões de locais. É uma abstração muito poderosa para IoT em particular, essencialmente removendo a preocupação com threads, locks ou bugs de concorrência."

Através de modelos de gêmeos digitais, um engenheiro pode interagir com representações em tempo quase real de relacionamentos e estados extremamente complexos dentro de sistemas, mesmo quando a imagem completa não está disponível.

"A incerteza é inerente a sistemas IoT distribuídos, então precisamos apenas abraçar isso no modelo de dados, na lógica de negócios e até na experiência do cliente, em vez de tentar escapar dela", diz Breck. "Representar relacionamentos físicos e virtuais entre dispositivos IoT, especialmente conforme eles mudam ao longo do tempo, é o problema mais difícil em IoT, acredite em mim, mas essencial para criar um ótimo produto."

Co-otimizar objetivos locais e globais foi outro desafio. Baterias menores de propriedade de indivíduos não devem se esgotar, caso o proprietário precise usá-las inesperadamente, mas as necessidades de balanceamento em tempo real da rede devem sempre ser atendidas.

"A otimização distribuída só é possível porque a Tesla constrói seu próprio hardware e tem controle total sobre firmware e software", diz Link. "Isso permite iteração rápida entre a inteligência local e central e como elas se relacionam, e essa colaboração é inter-equipes em vez de inter-empresas." A integração vertical de hardware, firmware e software estabeleceu a estrutura para uma solução mais resiliente com um algoritmo distribuído para ajudar dispositivos a agirem razoavelmente durante falhas de comunicação inevitáveis.

A usina virtual da Tesla é um exemplo principal de convergência tecnologia da informação/tecnologia operacional (TI/TO), um dos tópicos mais prementes na indústria de automação hoje. Computação distribuída e a Internet Industrial das Coisas (IIoT) ajudaram a Tesla a garantir resiliência da rede e abordar alguns dos problemas de engenharia encontrados na transição para energia renovável.

Para se aprofundar no desenvolvimento da plataforma de energia da Tesla, participação algorítmica em mercados de energia usando a maior bateria do mundo, e os desafios reais de criar a primeira usina virtual da Tesla, você pode ler a transcrição completa da apresentação de Breck e Link.