armazenamento de energia em redes inteligentes

7/23/2019 Armazenamento de Energia Em Redes Inteligentes

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Armazenamento de energia em redes inteligentes

Mariana Geny Moreira1

Mauro O. Prates1

Henrique M. Monteiro1

Eder B. Kapisch1

1Universidade Federal de Juiz de Fora

Juiz de Fora, Minas Gerais, Brasil

Leandro R. M. Silva1

Carlos H. N. Martins1

Luciana Acacio1

Danton D. Ferreira2

2Universidade Federal de Lavras

Lavras, Minas Gerais, Brasil

Rodolfo L. Valle1

Gabriel A. Fogli1

Pablo C. S. Furtado1

Paulo F. Ribeiro3

3Universidade Federal de Itajuba

Itajuba, Minas Gerais, Brasil

Resumo—Este trabalho apresenta o estado da arte do armaze-namento de energia eletrica aplicado a redes inteligentes no con-texto mundial, apontando as principais iniciativas do Brasil nestesentido. Basicamente, o trabalho discute os principais avancosdo Brasil na area de armazenamento de energia eletrica bemcomo seus desafios atuais e futuros. A discuss ˜ ao e feita com umfoco nas tecnologias de armazenamento, seus custos, capacidades,interfaces e aplicac ˜ oes. S ˜ ao apresentadas ainda as tend enciasquanto a regulamentac ˜ ao necessaria para a implementac ˜ ao dossistemas de armazenamento.

I. INTRODUC AO

As decisoes em relacao a qualidade do suprimento de

energia eletrica foram, por muitos anos, baseadas na sensi-

bilidade de engenheiros e tecnicos, captada a partir de suas

experiencias. Os resultados eram satisfatorios, pois os siste-

mas eram comparativamente pequenos e simples. Entretanto,

tais sistemas (redes e seus componentes) tornaram-se bem

mais complexos e os consumidores mais exigentes. Inclui-

se nesta complexidade o processo de desregulamentacao do

setor eletrico mundial permitindo a participacao de agentesprivados. Grandes avancos foram feitos no desenvolvimento

de um ambiente que estimulasse a valoracao transparente de

todos os servicos existentes em um sistema de potencia, de

modo a criar uma mentalidade competitiva nos agentes par-

ticipantes. A complexidade deste novo ambiente operacional

tem exigido dos planejadores, operadores e mantenedores dos

sistemas eletricos atuais um nıvel de conhecimento muito

mais abrangente, que dificilmente encontra-se na formacao

dos engenheiros tradicionais da area e, consequentemente, nas

ferramentas classicas utilizadas.

As atuais redes eletricas de transmissao vem sendo uti-

lizadas de forma extremamente intensa, criando uma serie

de problemas operativos jamais vistos no passado, os quaistem sido responsabilizados, em parte, pelos recentes blac-

kouts experimentados em diversos paıses desenvolvidos ou em

desenvolvimento. Novas fontes de energia renovaveis, muito

mais volateis (e.g. geracao eolica), tem sido agregadas aos

novos sistemas. Outras fontes menos volateis, porem cıclicas

(e.g. paineis fotovoltaicos), tem requerido novos dispositi-

vos de armazenamento e gerenciamento de sua utilizacao.

Ademais, micro-turbinas, celulas combustıveis, etc., tem sido

tambem utilizadas, e em sua maioria, agregadas aos sistemas

de distribuicao. Criam-se entao sistemas em que a geracao

esta conectada nao somente aos sistemas de transmissao e

sub-transmissao, como tradicionalmente era feito no passado,

mas tambem aos sistemas de distribuicao (e.g. microgrids).

Alem disto, a massificacao de cargas nao lineares conectadas

ao sistema tem contribuıdo para o aumento das distorcoes

harmonicas e mais recentemente para o aparecimento de novasdistorcoes, como por exemplo, inter-harmonicas. A existencia

de um grande numero destas cargas, e tambem de dispositivos

eletronicos de controle, tornam a modelagem do sistema, para

estudos da operacao e protecao, extremamente complicados.

Neste contexto, surgiu-se um novo conceito de redes de

energia eletrica na tentativa de integrar, de forma inteligente,

as acoes de todos os “usuarios” conectados ao sistema:

geradores, consumidores e aqueles que oferecem ambas as

acoes a fim de garantir eficientemente o fornecimento de

energia de forma sustentavel, economica e segura. Sao as

chamadas Redes Inteligentes (ou Smart Grids) [1], que podem

ser definidas, em linhas gerais, como a aplicacao de tecnologia

da informacao para o sistema eletrico de potencia (SEP),integrada aos sistemas de comunicacao e infraestrutura de

rede automatizada. As redes inteligentes devem possuir um

conjunto de funcoes basicas que permitam a modernizacao

da infra-estrutura eletrica, dentre as quais destacam-se: (1)

capacidade de auto-reconfiguracao; (2) tolerancia a falhas,

resistindo a ataques de hackers; (3) permitir a integracao de

todas as opcoes de fontes de energia e de armazenamento;

(4) permitir a otimizacao dinamica da operacao da rede; (5)

permitir a participacao ativa dos consumidores; e (6) melhoria

da confiabilidade, qualidade de energia, seguranca e eficiencia

do sistema de energia. Algumas destas funcoes, nao sao

evidentemente novas, pois a infra-estrutura de energia sempre

contou com tecnologias inteligentes para a sua operacao,controle e protecao, etc., porem neste novo cenario de grande

penetracao de geracao distribuıda e dispersa, sera necessario

envidar esforcos em pesquisas e no desenvolvimento de novas

tecnologias para a solucao dos problemas que ja comecam

a aparecer nas redes. Um dos desafios e o armazenamento

de energia, que se tornou fator importantıssimo devido a

integracao de energias renovaveis, o que demanda por mais

armazenamento de energia distribuıdo [2]. Alem disso, deve-

se ressaltar que o armazenamento de energia e necessario



em varias aplicacoes, o que requer diferentes propriedades

de armazenamento de eletricidade [1]. Em [3], encontra-

se um bom resumo sobre as tecnologias de armazenamento

apresentado pela EAC (Electricity Advisory Committee).

De acordo com [3], duas caracterısticas basicas da eletri-

cidade podem evidenciar a necessidade de armazenamento

de energia eletrica: i) A energia e gerada ao mesmo tempo

em que e consumida. Dessa forma, para atender a variacoes

naturais de demanda, uma quantidade de energia superior a

energia consumida deve ser gerada e estar disponıvel para

atender a tais variacoes de demanda. Esta energia, no en-

tanto, nao e recuperada caso nao seja consumida. Ademais,

os desequilıbrios entre demanda e suprimento podem gerar

instabilidade e problemas de qualidade de energia (tensao e

frequencia) no sistema; ii) A geracao de energia, usualmente,

acontece a quilometros de distancia de onde ela e consumida.

Dessa forma, a energia deve ser transmitida pelas linhas de

transmissao, formando assim o sistema de potencia. Isso faz

com que o fluxo de potencia seja elevado nas linhas de

transmissao podendo causar congestionamento. Alem disso,

qualquer falha na linha de transmissao, devido ao congestiona-mento ou alguma outra razao, leva a interrupcao do suprimento

de energia.

Basicamente, o armazenamento de energia eletrica pode

proporcionar tres principais contribuicoes [3]: i) Reducao do

custo da eletricidade, armazenando energia, comprada com

precos reduzidos em horarios que nao sao de pico, e utiliza-

se essa energia durante os horarios de pico, quando a energia

e mais cara; ii) Pode melhorar a seguranca do suprimento

de energia, uma vez que o sistema de armazenamento de

energia eletrica dara suporte aos usuarios durante uma falha da

rede eletrica, independente da causa; iii) Mantem e melhora a

qualidade de energia, frequencia e tensao.

Este trabalho apresenta o estado da arte do armazenamentode energia eletrica no contexto mundial, apontando as prin-

cipais iniciativas do Brasil neste sentido, e esta dividido da

seguinte maneira: na secao II e feita uma contextualizacao do

tema, na secao III sao mostradas as principais tecnologias para

o armazenamento de energia juntamente com uma estimativa

de custo das mesmas, a secao IV mostra as capacidades e as

possıveis aplicacoes das tecnologias, na secao V sao mostradas

as interfaces necessarias para a conexao das unidades de arma-

zenamento ao sistema, na secao VI sao mostradas as principais

tendencias para o uso dessas tecnologias, a secao VII trata

da regulamentacao para a implementacao dos sistemas de

armazenamento, a secao VIII mostra algumas aplicacoes de

processamento de sinais e finalmente na secao IX e feita aconclusao do trabalho.

II . CONTEXTO

O vasto crescimento de novas tecnologias de geracao de

energia, especialmente renovaveis, a mudanca do perfil de

consumo e de demanda da rede eletrica vem provocando

alteracoes significativas no funcionamento e operacao dos

sistemas de geracao, transmissao e distribuicao de energia

eletrica.

Paineis fotovoltaicos, plantas eolicas, equipamentos

eletronicos, baterias, sao alguns exemplos da agregacao de

novos valores tanto no que tange a geracao quanto no que se

refere as cargas [4]. A integracao de dispositivos renovaveis

de geracao de energia sugerem uma abordagem de geracao

mais distribuıda.

A integracao desses novos conceitos, atitudes, abordagens,

tecnologias, perspectivas, a rede eletrica tradicional da origem

as redes eletricas inteligentes.

O grande desafio do desenvolvimento de uma rede eletrica

mais inteligente e, justamente, balancear todas as variaveis

envolvidas e controlar dinamicamente tanto cargas quanto

fontes de energia variaveis [5]. Para tanto, o armazenamento de

energia eletrica e um fator crucial pois possibilita flexibilidade

na relacao entre concessionarias e consumidores, entre geracao

distribuıda, inclusive por fontes renovaveis, e cargas [6]. Alem

disso, muitos problemas associados a qualidade de energia, a

confiabilidade das redes de distribuicao e ao gerenciamento

do abastecimento podem ser solucionados, ainda que parcial-

mente, por meio de dispositivos de armazenamento.

O armazenamento de energia pode ser realizado direta-mente, ou seja, por meio do acumulo de energia eletrica em

capacitores e/ou super-capacitores, ou indiretamente, tanto por

processos eletroquımicos como baterias, quanto por proces-

sos mecanicos como flywheels. Todas essas as tecnologias

estao em constante evolucao e sao objeto de pesquisas que

visam, principalmente, reducao dos custos de producao, maior

capacidade de armazenamento e menor impacto ambiental

provocados por esses dispositivos [4], [7].

O portif olio de tecnologias para armazenamento de energia

e considerado vasto e capaz de abranger e atender as neces-

sidades em todos os nıveis da rede: geracao, transmissao e

distribuicao. Enquanto, por exemplo, as tecnicas de armaze-

namento de energia em forma de ar comprimido e pumped hydro sao capazes de descarregar cerca de 1000MW em 10

horas, baterias e flywheels possuem capacidade bem inferior

de armazenamento e tempos curtos de descarga [6].

Essa variabilidade de caracterısticas sugere aplicacoes dis-

tintas, vislumbrando a otimizacao do processo. Assim, pode-se

considerar que o armazenamento de energia deva ser realizado

em dois contextos diferentes: o primeiro seria em larga escala,

formado por grandes plantas de geracao, e o segundo seria em

pequena escala, constituıdo por pequenas plantas situadas ao

longo das redes de transmissao e distribuicao [8].

Este ultimo foi impulsionado, principalmente, pelo aumento

de paineis fotovoltaicos domesticos, que vem desafiando o

sistema de controle de distribuicao atual. Baterias de di-versas tecnologias vem sendo testadas neste ambito com o

intuito de possibilitar a criacao de redes self-healing, nas

quais alimentadores inteligentes e dispositivos de protecao se

comunicam, em tempo real, a fim de isolar possıveis faltas e

restabelecer o fornecimento rapidamente, quando for o caso,

sem a necessidade de esperar por uma decisao do centro de

controle. Esse seria o modelo de “ilhas self-powered ” que,

mesmo integradas a rede, seriam capazes de se manterem

ativas quando da perda na transmissao.



As tecnologias de armazenamento voltadas para esse tipo de

aplicacao sao as baterias, seguidas por flywheels e supercapaci-

tores. Nesse sentido, o desenvolvimento do mercado de carros

eletricos podera auxiliar na reducao dos custos de producao

da baterias, atualmente muito elevado.

Alem dos modelos de ilhas, a viabilizacao de um sistema de

armazenamento distribuıdo traria muitas vantagens ao sistema.

Algumas dessas vantagens sao a reducao dos picos de carga

nas subestacoes, maior regulacao de frequencia, melhoria da

confiabilidade dos sistemas de transmissao e distribuicao,

maior capacidade de black start alem da possibilidade de

controle da carga do consumidor.

No que tange aplicacoes em larga escala, em grandes plantas

de geracao, a tecnologia de armazenamento mais tradicional

e conhecida sao as bombas hidraulicas ( pumped-hydro). Para

ser bem sucedida nesse contexto, uma determinada tecnologia

de armazenamento deve [6]: (i) estar bem dimensionada para

aplicacoes com capacidades elevadas e longos perıodos de

descarga. Essa caracterıstica viabilizaria, por exemplo, maior

rentabilidade por parte das concessionarias, pois poderiam

aproveitar as flutuacoes dos precos da energia ao longo do dia;(ii) possuir vida util economicamente viavel, inclusive para

garantir investimentos em novas pesquisas; e (iii) ser eficiente,

possuir baixas perdas e baixo custo de manutencao.

III . TECNOLOGIAS E C USTOS

A. Flywheel

O armazenamento de energia por flywheel (FES, do ingles

flywheel energy storage) e classificado dentro do grupo de sis-

temas de armazenamento mecanico. Este dispositivo armazena

energia na forma de energia cinetica de rotacao e seu princıpio

nao e novo [9], [10], [11], [12]. A energia armazenada depende

do momento de inercia e da velocidade de rotacao do flywheel.

O rapido tempo de resposta do flywheel o torna adequadopara diferentes aplicacoes em sistemas de potencia. Em [13],

por exemplo, esta tı¿ 1

2cnica foi utilizada para compensacao de

harmonicos de ate 11ı¿ 1

2 ordem.

Empresas americanas e europeias tem desenvolvido flywhe-

els para: melhorar a qualidade de energia, fornecer energia em

casos de falha na rede eletrica, bem como eliminacao de afun-

damentos de tensao [14]. Dentre as principais caracterısticas

dos FES sao a excelente estabilidade, longa vida util, baixa

manutencao e elevada densidade de potencia. Atualmente os

FES sao comercialmente empregados em qualidade de energia

e em UPS. Esforcos tem sido feitos para otimizar o flywheel

como elemento armazenador de energia para operacoes de

longa duracao, de ate varias horas [15], [12]. A potencia dosFES e inferior a 2,4 MW com eficiencia entre 0,9 e 0,93 e

tempo de descarga inferior a 1 hora.

B. Baterias

A bateria e um dispositivo eletroquımico, composto por

celulas empilhadas, onde a energia quımica e convertida em

energia eletrica e vice-versa. Caracterısticas como eficiencia

na conversacao, vida util (em numero de ciclos), temperatura

de operacao, profundidade de descarga (geralmente as baterias

nao sao completamente descarregas), taxa de auto descarga e

densidade de energia devem ser consideradas na escolha de

qual tecnologia deve ser utilizada [12].

As baterias ate entao usadas em aplicacoes de sistemas

de potencia sao baterias de ciclo profundo (semelhante as

utilizadas em veıculos eletricos), com capacidade de energia

variando de 17MWh a 40 MWh e com eficiencia entre 0,7 e

0,8 [16].

As baterias podem ser classificadas em [17]:

Secundaria - inclui baterias de chumbo-acido, nıquel-

cadmio (NiCd), sodio-enxofre (NaS), sodio nıquel (tambem

conhecida como ZEBRA) e ıons de lıtio (Li Ion).

REDOX - inclui baterias de VR (Vanadium Redox), PSB

(Polysulphide-Bromine) e as Zn-Br (Zinc-Bromine)

Metal ar - inclui baterias de zinco-ar e lıtio-ar.

Das diversas tecnologias de baterias apresentadas em [16],

algumas sao mais adequadas para aplicacoes em sistemas de

potencia. Sendo elas destacadas a seguir:

1) Chumbo ´ acido: A bateria de chumbo-acido usa dioxido

de chumbo, como o material ativo do eletrodo positivo e de

chumbo metalico como material ativo negativo numa estruturaporosa de elevada area superficial. O eletrolito utilizado e

uma solucao de acido sulf urico. Unidades comerciais usadas

por concessionarias de energia apresentam capacidades entre

300kWh e 40MWh, profundidade de descarga entre 200 e

2.000 ciclos e temperatura de operacao entre -5ı¿ 1

2C e 40ı¿ 1

2C

[18].

2) Baterias de S odio-Enxofre (NaS): Este tipo de bateria

baseia-se no processo de oxirreducao de ıons de sodio. A

temperatura da bateria deve ser mantida em cerca de 300ı¿ 1

2

C para que este processo ocorra. Esta tecnologia se encontram

em uma fase madura de desenvolvimento, sendo produzidas

desde 2003 pela NGK no Japao e sendo aplicada para arma-

zenamento de energia de usinas fotovoltaicos, eolicas e emsubestacoes com potencias de 500kW ate 80MW e 60MWh

[19], [20]. Tem como principais caracterısticas sua elevada

vida util suportando 2.500 ciclos de carga e descarga profunda

de 100%, 4.500 ciclos a 90% ou 6.500 ciclos a 65%, alem de

nao sofrer do efeito de memoria e possuir 1/3 do volume das

baterias de chumbo acido.

3) ´ Ions de L´ ıtio: Este tipo de baterias possui uma densidade

de energia elevada, alem de uma longa vida util, suportando

cerca de 3.000 ciclos a 80% de capacidade de descarga e com

uma eficiencia geralmente acima dos 90% [21], [12]. Devido

ao seu custo de instalacao sua aplicacao em sistemas de larga

escala e limitado, sendo mais amplamente aplicada em pe-

quenos aparelhos portateis, tais como celulares, computadores,bicicleta eletricas e mais recentemente em veıculos eletricos.

Comercialmente, existem empresas que tem disponıveis sis-

temas de elevada capacidade apropriados para aplicacoes em

sistemas de regulacao de redes eletricas [18].

4) Metal-ar: A celula eletroquımica de metal-ar consiste

de um anodo feito de metal puro e um catodo ligado a

uma fonte inesgotavel de ar. Na reacao eletroquımica apenas

o oxigenio do ar e usado. Entre as diversas baterias de

metal-ar, a bateria de lıtio-ar e a mais atrativa, uma vez a



sua energia especıfica teorica, excluindo oxigenio que nao e

armazenado na bateria, e 11,14 kWh / kg, correspondendo

a cerca 100 vezes mais do que os outros tipos de bateria e

ate mesmo maior do que o da gasolina (10,15 kWh / kg). No

entanto, a elevada reatividade de lıtio com ar e umidade podem

causar incendios. Atualmente, apenas a bateria de zinco-ar e

tecnicamente viavel, com uma energia especıfica teorica de

1,35 kWh / kg desconsiderando o oxigenio, mas ainda nao

chegou a ser comercializada em larga escala [15].

5) REDOX: As baterias de fluxo funcionam por meio da

oxirreducao entre dois eletrolitos. Dois tanques distintos arma-

zenam os eletrolitos que sao forcados, por meio de duas bom-

bas, a atravessar uma celula eletroquımica. A energia quımica

e convertida em eletricidade na celula eletroquımica, quando

os dois eletrolitos fluem atraves da celula eletroquımica. A

energia que e possıvel armazenar na bateria e diretamente

proporcional ao volume dos tanques dos eletrolitos. A potencia

e determinada pela taxa de reacao entre os eletrolitos na

celula eletroquımica. Assim, este tipo de bateria permite que

a relacao entre a potencia da bateria e a sua capacidade seja

variavel, adaptando-se de forma mais eficiente as necessidades.Unidades comerciais instaladas no Japao utilizando baterias

VR e Zn-Br 1,5MW/1,5MWh e 1MW/4MWh, respectiva-

mente, possuem baixa potencia e energia para utilizacao por

concessionarias de energia [18], [12].

C. Supercapacitores

Capacitores eletroquımicos de dupla camada sao tambem

conhecidos como supercapacitores ou ultracapacitores. Nos

supercapacitores a elevada capacitancia se deve a enorme area

superficial dos eletrodos e a pequena distancia entre as cargas.

Desta forma o supercapacitor e capaz de armazenar uma

quantidade de energia muito maior do que qualquer capacitor

convencional de massa ou volume equivalente.Supercapacitores sao conhecidos a algum tempo. A primeira

patente data de 1957, onde um capacitor de elevada area super-

ficial de carbono foi descrita por [22]. Mais tarde, na decada

de 1970, foi realizada a primeira tentativa de comercializacao

deste dispositivo [23].

Devido ao processo de carga e de descarga do dispositivo

se dar pelo movimento dos ıons no eletrolito (sem haver

reacoes quımicas) o supercapacitor apresenta uma resistencia

serie equivalente muito pequena, fazendo com que o limite de

corrente de carga e de descarga seja bastante elevado.

Celulas de supercapacitor sao limitadas entre 1V e 3V

dependendo do tipo do eletrolito. Excedido o limite havera

a eletrolise do eletrolito, ocasionando a formacao de gases,que danificara o dispositivo [24]. Desta forma, para alcancar

tensoes de operacao mais elevadas, os supercapacitores podem

ser combinados em serie, no entanto as tensoes em cada celula

podem nao estar balanceadas. Assim, para distribuir uniforme-

mente as tensoes, sao empregados circuitos de balanceamento

de tensao que podem ser passivos (resistores em paralelo),

ativos (circuitos eletronicos) ou uma combinacao de ambos

[25], [26]. O supercapacitor opera em potencias inferiores

a 100 kW possuindo um ciclo de vida de 10.000 ciclos e

eficiencia de 0,95, possui um rapido tempo de resposta e tempo

de descarga inferior a 1 minuto [15].

D. Geot ermicas

Reservas geotı¿ 1

2rmicas sı¿ 1

2o fontes de energia unidireci-

onal com capacidade de fornecer 44.2 TeraWatts, que com-

preende mais que o dobro do consumo de energia da huma-

nidade [27]. Os primeiros estudos documentados de energia

geotermica sao datados de 1740, em uma mina proxima aBelfort, Franca, onde as primeiras medidas com termometros

foram realizadas, e em 1870 os primeiros estudos modernos

sobre o regime termal da terra [28]. Em 1904 o primeiro

pequeno gerador eletrico e em 1912 a primeira turbina com

condensador que em 1914 atingiu 8.5MW na geracao foi

instalado na Italia [29]. As plantas para extracao da energia

geotermica sao:

1) Planta com vapor seco: considerada a planta mais di-

fundida e com maior viabilidade economica, estao localizadas

em regioes geotermicas onde o vapor nao esta misturado com

ı¿1

2gua. Essas fontes sao encontradas predominantemente nos

EUA, Italia com ocorrencia no Japao, Indonesia e Mexico.

2) Planta flash de vapor: reservartı¿ 1

2rios de ı¿ 1

2gua aque-

cida que sao bobeadas para tanques de baixa pressao, o que

causa a vaporizacao ( flash) da ı¿ 1

2gua.

3) Planta de ciclo bin´ ario: O processo de geracao e rea-

lizado atraves da transferencia de calor do fonte geotermica

atraves de um trocador de calor o qual aquece a ı¿ 1

2gua a

ser vaporizada para ativar as turbinas a vapor. Os circuitos de

calor sao isolados. [27]

E. Armazenamento de Energia por plantas de Ar comprimido

As plantas de geracao de energia por ar comprimido (CAES,

do ingles Compressed Air Energy Store), sao plantas onde os

excedentes de producao de usinas de energia renovaveis sao

armazenados na forma de ar comprimido no subsolo. Esse

tipo de planta energetica tem como principal objetivo suprir

picos de demanda. A tecnologia de ar comprimido, quando

combinada com geracao em turbinas abastecidas com gas

natural, aumentam a eficiencia da geracao em atı¿ 1

2 3 vezes.

Em Huntorf, na Alemanha, encontra-se instalada a primeira

CAES entrar em operacao [17].

F. Armazenamento de Hidrogˆ enio

O armazenamento de Hidrogenio pode ser realizado pela

combinacao de fontes renovaveis como eolica, solar, energia

das mares para converter o excedente de producao em com-

bustıvel. [30], [21].

G. PHS (Pumped Hydroelectric Storage)

PHS e amplamente adotado como tecnologia de armaze-

namento de eletricidade. Desde 2009, existem centenas de

estacoes PHS operando com capacidade total de 127 GW

em todo o mundo. Japao tem atualmente a maior capacidade

PHS no mundo. A instalacao de armazenamento bombeado

possui dois reservatorios. Um localizado acima da represa -

apresenta uma elevacao muito maior -enquanto o outro, abaixo

da represa - tem uma elevacao menor.



IV. CAPACIDADES E A PLICAC OE S

Nesta secao sao apresentadas algumas aplicacoes tıpicas de

elementos armazenadores de energia (EAE) no contexto das

redes eletricas inteligentes, de acordo com as funcoes que

podem ser desempenhadas no sistema eletrico de potencia. Sao

tambem apresentados os motivos que determinam a viabilidade

da tecnologia de armazenamento para cada aplicacao.

A. Estabilizac˜ ao de Sistemas El´ etricos de Pot encia

Variacoes de carga e/ou de geracao de energia podem

implicar em alteracoes da frequencia e amplitude da tensao

no sistema eletrico de potencia [31]. Determinados EAE po-

dem ser utilizados para mitigar estes fenomenos indesejaveis,

absorvendo ou fornecendo energia visando a operacao do

sistema nas condicoes nominais. Nos Estado Unidos em uma

cidade chamada Chino, no ano de 1989, foram realizados uma

sequencia de testes utilizando uma bateria de Chumbo-Acido

com potencia de 10MW e 40MWh de energia, de forma a

atenuar os disturbios de carga ou uma alteracao na geracao

de energia. Apos dois anos realizando especıficos testes, foi

possıvel comprovar o funcionamento satisfatorio da aplicacao

da bateria em conjunto com a rede eletrica [32].

B. Desacoplamento no tempo entre Gerac˜ ao e Consumo

Em um sistema eletrico integrado com fontes renovaveis,

que geralmente apresentam caracterıstica de geracao intermi-

tente, e interessante possibilitar o consumo da energia fora do

horario em que e gerada. Para isso sao utilizados os elementos

armazenadores de energia, que absorvem a energia gerada e

a entregam de acordo com a demanda. O principal requisito

para este tipo de aplicacao e uma suficiente capacidade de

armazenamento, de acordo com o porte da fonte de geracao

intermitente.A integracao, por exemplo, de sistemas fotovoltaicos co-

nectados a rede de forma distribuıda e possıvel pela aplicacao

de sistemas de armazenamento de energia. Sao os EAEs uti-

lizados que possibilitam o consumo da energia em momentos

diferentes daqueles na qual e gerada [33].

Na integracao de fontes de energia eletrica cuja geracao

de energia pode variar rapidamente, a reducao da variacao

da potencia entregue ao sistema eletrico e mais uma aplicacao

possibilitado pelos EAE. Em funcao disto, a utilizacao de EAE

com capacidade de responder rapidamente a estas variacoes e

indicado. Em Ribeiro [34] e apresentado uma aplicacao em

media escala de um SMES para transmissao e distribuicao.

Este projeto foi implementado no Alaska pela Anchorage Mu-nicipal Light and Power , onde o SMES possuıa a capacidade

de armazenamento de 1800 MJ e fornecia potencia de ate

50 MVA. Com isso o SMES daria suporte a frequencia do

sistema, auxiliaria no amortecimento das oscilacoes de tensao

na linha de transmissao e na qualidade de energia e no suporte

de tensao, atraves da compensacao de potencia reativa.

Em 1987, pela Crescent Electric Membership Cooperative

(CEMC) nos Estados Unidos, uma bateria de Chumbo-Acido

de 500 kW, com o intuito de armazenar a energia durante

parte do dia, e fornecer essa parcela acumulada em um outro

momento [35].

C. Fontes Emergenciais de Energia

Reserva girante pode ser definida como uma parcela da

geracao nao utilizada, porem disponıvel a todo momento para

fornecer, durante um dado intervalo de tempo, potencia ativa

ao sistema eletrico de potencia [36]. Uma resposta rapidae grande capacidade de armazenamento, para suprir a carga

durante alguns minutos (enquanto geradores de reserva sao

acionados) sao os principais requisitos para o EAE neste tipo

de aplicacao [37].

Segundo [35] alguns sistemas de reserva girante que ja

saıram de operacao utilizaram baterias de chumbo-acido para

armazenar energia em larga escala. Um caso de sistema mais

recente, e que ainda se encontra em operacao, e o sistema de

reserva de energia da Golden Valley Electric Association, em

inglˆ es situada no Alasca, Estados Unidos da America. Devido

as condicoes climaticas extremas da regiao, a principal funcao

do sistema e evitar que faltas de energia afetem a populacao.

Este sistema de emergencia emprega a maior bateria do mundoem capacidade de armazenamento, feita de nıquel-cadmio e

capaz de fornecer 26 MW por 15 min ou ate 40 MW durante

7 min [38].

D. Qualidade de Energia

Um problema de qualidade de energia e qualquer fenomeno

ocorrido na tensao, corrente ou frequencia de um sistema

eletrico que implique em operacao incorreta ou falha de equi-

pamentos eletricos. O sistema de distribuicao e aquele mais

suscetıvel a ocorrencia destes fenomenos, que sao geralmente

temporarios [39].

E. Veıculos El´ etricos

O crescente surgimento no mercado de veıculos com pro-

pulsao eletrica, traz consigo um aumento da preocupacao com

a questao do armazenamento de energia durante a utilzacao.

Os EAEs utilizados devem possuir caracterısticas de elevadas

densidade de energia, densidade de potencia e vida util, alem

de reduzidos peso e custos de aquisicao e manutencao. Os

EAEs mais comuns atualmente para aplicacoes veiculares sao

baterias e super-capacitores. Alem destes, as celulas com-

bustıveis apresentam outra possibilidade de armazenamento

de energia em veıculos eletricos. Atualmente, nenhum EAE

e capaz de satisfazer sozinho a todos os requisitos para

aplicacoes veiculares, por isso a utilizacao de um sistemahıbrido de armazenamento de energia tem sido considerada

uma solucao promissora [40].

No modelo Ford Energi, um carro hıbrido que possui um

motor a combustao e como opcao para recarregar o banco

de baterias, de ıons de lıtio, que permitem uma autonomia

de ate 34 km sem a utilizacao do motor a combustao. Outro

exemplo de carro que utiliza baterias como EAE e o Tesla

Modelo S, capaz de armazenar energia para 426 km de

autonomia [41].Outro tipo de aplicacao de EAEs num veıculo



eletrico e observado no japones Mazda, que utiliza super-

capacitores de alta eficiencia para implementar o conceito de

frenagem regenerativa. Os capacitores sao carregados durante

a frenagem e fornecem a energia armazenada posteriormente

durante a partida do carro [41].

V. TEN DENCIAS

O armazenamento de energia sera de fundamental im-

portancia no futuro dos sistemas eletricos de potencia, pos-

sibilitando a integracao de fontes renovaveis ao sistema e a

migracao para as smart grids. No que diz respeito a integracao

de fontes renovaveis sera de fundamental importancia no

controle da frequencia do sistema, visto que a quantidade de

energia gerada varia de acordo com as condicoes climaticas

[3]. No contexto das smart grids encontra-se uma variada

gama de aplicacoes como sera mostrado na secao II.

Outras aplicacoes que podemos destacar para os sistemas

de armazenamento de energia sao as casas (ou predios) inteli-gentes (smart houses and smart buildings), onde unidades de

armazenamento juntamente com fontes renovaveis propiciarao

aos consumidores o uso da energia de forma mais eficiente e

economica, podendo ainda suprir emergencias quando houver

interrupcao no fornecimento da concessionaria. No futuro, a

tendencia e de que existam cada vez mais paineis de geracao

solar nos telhados das casas e predios e portanto, os sistemas

de armazenamento serao fundamentais para que se absorva o

excesso de energia gerado quando a demanda e baixa e essa

energia possa ser usada posteriormente quando necessario [6].

Uma area em que sistemas de armazenamento de energia

eletrica baseados em baterias vai ser largamente utilizado ea area dos veıculos eletricos, comecando nos proximos anos

como veıculos hıbridos e posteriormente com o desenvolvi-

mento das tecnologias das baterias passando, em alguns casos,

a carros totalmente eletricos. Uma grande peculiaridade dos

veıculos eletricos e que eles nao serao somente cargas conec-

tadas no sistema enquanto carregam suas baterias, funcionarao

tambem como unidades de armazenamento moveis enquanto

estiverem conectados podendo fornecer energia para o sistema

em determinadas situacoes [3], [6], [42].

Com isso, o desafio no desenvolvimento das redes eletricas

no futuro e equilibrar todas as variaveis associadas com

controle dinamico das cargas em um cenario que apresenta

um aumento cada vez maior de fontes de energia renovavelconectadas ao sistema. Alem disso, existe uma tendencia de

mudanca dos padroes de carga existentes. Dessa forma, a

medida que cargas eletronicas mais sofisticadas forem adi-

cionadas a rede, o servico prestado devera ser ainda mais

confiavel. Tal confiabilidade devera ser ainda maior pelo fato

de unidades de carregamento de Veıculos Eletricos e Hıbridos

serem conectadas aleatoriamente na rede. A tendencia entao

e que pequenas quantidades de energia sejam armazenadas ao

longo da rede, para que este equilıbrio seja facilitado [6].

VI. REGULAMENTAC AO

A. Smart Grids no Brasil

Varios paıses ja implantam, em diferentes nıveis, diversas

tecnologias relacionadas ao contexto de redes inteligentes. No

Brasil, por parte das distribuidoras, as iniciativas ainda se

resumem a trabalhos de inovacao decorrentes de projetos de

Pesquisa e Desenvolvimento P&D ou a projetos de medicao

especıficos que nao aplicam conceitos mais amplos de re-des inteligentes. Algumas das distribuidoras brasileiras estao

conduzindo projetos de demonstracao em cidades inteligentes

(projetos pilotos) para testar as tecnologias e os custos envol-

vidos [43].

Alem de projetos pilotos, algumas poucas iniciativas podem

ser destacadas. No Brasil, a distribuidora Ampla apresenta

o caso de maior evidencia nas experiencias com medicao

inteligente. Nesse contexto, destaca-se o Sistema de Medicao

Centralizada SMC, que consiste em uma aplicacao que utiliza

modulos eletronicos agregados destinados a medicao, exer-

cendo as funcoes de concentracao, processamento e indicacao

das informacoes de consumo de forma centralizada (medicao

exteriorizada e blindada). Nesse sistema os medidores de

energia ficam localizados no alto dos postes, interligados a

uma prumada de comunicacao que concentra as leituras das

diversas unidades consumidoras. A implantacao do sistema

possibilita leitura remota e realizacao de corte e religacao a

distancia [44].

O SMC desenvolvido no Brasil foi originalmente batizado

de Ampla Chip. A aplicacao destaca-se, sobretudo, como um

instrumento eficiente no combate a furtos e fraudes.

Outro caso de destaque e o projeto aplicado na cidade de

Curitiba - area de concessao da Copel. A implantacao teve

foco na automacao, com operacao remota e(ou) autonoma da

rede de distribuicao e de subestacoes, alem da otimizacaodo controle sistema de distribuicao a partir das solucoes de

georreferenciamento. Neste caso, os benefıcios sao relacio-

nados, principalmente, com a reducao das interrupcoes no

fornecimento de energia eletrica [45] e [46].

Ja a distribuidora Light destacou-se por criar diferentes pro-

jetos em programas de P&D. A empresa desenvolveu um mo-

delo de medidor inteligente com funcionalidades avancadas,

alem de configuracao que permite a medicao centralizada e

agrupada. Tambem foram desenvolvidos equipamentos inte-

ligentes como modulos de comunicacao (gateways), display

(IHD), tomadas com indicacao de consumo e possibilidade de

chaveamento de cargas (smart plugs) e terminal de carrega-

mento de veıculos eletricos. Metodologias e plataformas deautomacao e self healing tambem foram criadas no programa,

em especial para sistemas subterraneos [47].

Ademais, os projetos da Light criaram interfaces diferenci-

adas e inovadoras para os consumidores. Alem dos proprios

medidores e dos displays e tomadas inteligentes, foram criados

canais de interacao por meio de televisoes, mensagens SMS,

e-mail, aplicativos para telefones celulares e tablets, Facebook ,

Twitter , web sites e sistemas de telefonia voice anywhere.

Alem dos casos citados, atualmente o grande foco de



Figura 1. Projetos pilotos de cidades inteligentes no Brasil.

redes inteligentes no Brasil e no desenvolvimento de projetos

demonstrativos (pilotos) em municıpios especıficos (cidades

inteligentes ou cidades digitais).Esses pilotos sao enquadrados no ambito de projetos de

P&D e os objetivos sao a definicao de arquitetura padraopara redes inteligentes, com a constituicao dos elementos que

compoem os sistemas, incluindo novos dispositivos, softwares,

servicos e processos. Sao realizados testes de interopera-

bilidade entre medidores e demais equipamentos, alem de

implantacao de sistema de supervisao e reconfiguracao de

redes em tempo real e do desenvolvimento de metodologia

e dispositivos para servicos interativos com os consumidores.A Figura VI-A mapeia os principais pilotos brasileiros.Embora o MME nao tenha ainda apresentado propostas

concretas sobre redes inteligentes, existem outras iniciativas

no executivo, como as acoes da ABDI para subsidiar novas

polıticas industriais brasileiras. Outra acao de destaque foi o

Plano Inova Energia, voltado para o fomento a inovacao.

B. Situac˜ ao da Regulamentac ˜ ao de Smart Grids no Brasil

As redes inteligentes sao um tema contemporaneo e estao na

pauta das discussoes do setor eletrico mundial [42]. No Brasil,

a implantacao e objeto de analise tanto pelas distribuidoras

quanto pela Agencia Reguladora, pelo Congresso Nacional e

por alguns ministerios.Igualmente atual, em particular no Brasil, esta o debate

relacionado aos procedimentos para a realizacao de Analise de

Impacto Regulatorio (AIR) previamente a publicacao de uma

lei ou de um regulamento. A AIR e um processo que precede

a formulacao de uma polıtica ou de uma regulacao e constitui

uma abordagem ordenada para avaliar e criticar os efeitosdos atos propostos. Entre as metodologias para realizacao de

uma AIR, a Analise Custo-Benef ıcio (ACB) e uma das mais

conhecidas e utilizadas.Como o contexto de redes inteligentes envolve implantacoes

em grande escala e custos elevados, torna-se relevante a

realizacao de uma avaliacao acerca do nıvel de intervencao

de uma polıtica publica e(ou) de um regulamento.No Congresso Nacional brasileiro, alguns projetos rela-

cionados as redes inteligentes estao em discussao: Projeto

de Lei 3.337/2012 e Projetos de Lei do Senado 608/2011

e 84/2012 . Por se tratarem de projetos, estao ainda em

fase de avaliacao previa entre os parlamentares. Caso sejam

realmente aprovados e convertidos em lei, havera implantacao

compulsoria em grande escala.

A ANEEL esta trabalhando no regulamento para Smart

Grid. Ela ja possui um cronograma desenvolvido com o fim

de implementar as mudancas na rede de energia eletrica a

fim de transforma-la numa smart grid . O primeiro passo foi

a aprovacao em agosto das regras da PLC (Comunicacao em

redes de potencia) [48].

A Diretoria da ANEEL aprovou no dia 25 de Agosto de

2013 as regras para utilizacao da rede eletrica para transmissao

de dados, voz e imagem e acesso a internet em alta velocidade

atraves da tecnologia Power Line Comunications (PLC). Essa

regulamentacao foi estabelecida pela Resolucao Normativa

375/2009.

VII. CONCLUSAO

Neste trabalho foi feita uma revisao das principais tec-

nologias de armazenamento de energia ja desenvolvidas eainda em desenvolvimento, bem como as capacidades de

armazenamento e os custos relacionados. Alem disso algu-

mas aplicacoes destas tecnologias nas redes eletricas inteli-

gentes foram descritas. Foram ainda discutidos aspectos da

regulamentacao da implantacao destas tecnologias de armaze-

namento de energia no Brasil.

Dessa maneira, e possıvel concluir que as mudancas ope-

racionais na rede de transmissao e distribuicao provocadas

pela reestruturacao do setor de energia estao criando uma

oportunidade para os sistemas de armazenamento de energia.

Mudancas regulatorias em operacoes da rede tem impactado na

implementacao de armazenamento de eletricidade bem como

outros servicos relacionados ao armazenamento.

O armazenamento de energia e de fundamental importancia

no futuro dos sistemas eletricos de potencia possibilitando

assim a integracao de fontes renovaveis ao sistema e a

implementacao abrangente de redes inteligentes.

A introducao de dispositivos de armazenamento na rede

eletrica nao e uma tarefa trivial. Grandes mudancas irao

requerer um ajuste nas praticas empresariais, bem como acoes

incentivadoras provenientes do governo.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer ao CNPq/INERGE, CA-

PES, FAPEMIG, UFJF e UNIFEI por apoiarem este trabalho.

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armazenamento de energia em redes inteligentes

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