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1 Sistemas de energia e redes eléctricas do futuro 1. Introdução Os sistemas de energia eléctrica têm contribuído para o desenvolvimento e melhoria da qualidade de vida das populações. As redes eléctricas são um feito notável na interligação dos sistemas de geração de energia eléctrica a milhões de clientes residenciais, comerciais e industriais de forma eficiente e com elevada fiabilidade através de milhares de quilómetros de linhas e equipamentos. As redes eléctricas integram múltiplos sistemas, que de forma a continuarem a servir bem todos os utilizadores enfrenta e enfrentará novos desafios que requerem o uso inteligente de novas tecnologias e políticas regulatórias adequadas. Um dos desafios mais importantes é a necessidade de incorporar mais energia renovável, nomeadamente solar e eólica. A energia gerada por estes sistemas é variável ao longo do tempo e como a sua previsão é incerta ou não totalmente confiável, dificulta a tarefa dos operadores das redes eléctricas em combinar a geração e a carga 1 , que têm de ser iguais, à parte das perdas, em cada instante. Acresce ainda a dificuldade de efectuar o armazenamento da energia eléctrica proveniente das energias renováveis. Com o aumento da penetração da geração distribuída renovável surgem também desafios associados à concepção e operação dos sistemas de distribuição de energia eléctrica, que podem ter reflexo nos custos da energia eléctrica. A crescente penetração de veículos eléctricos e o aumento do número de consumidores vão alterar o padrão de consumo de energia eléctrica, o que se reflectirá nos picos de consumo e no valor médio da energia consumida. Estas alterações requerem redes com capacidade energética instalada superior, sistemas de gestão da rede melhorados e a adopção de soluções inovadoras nas tecnologias de rede de forma a minimizar os efeitos de um aumento no consumo. As melhorias nas redes eléctricas beneficiam dos desenvolvimentos tecnológicos em sensores, nas comunicações, no controlo ou na electrónica de potência. Todas estas tecnologias requerem comunicações de dados o que envolve questões de padronização, segurança cibernética, e privacidade. Neste contexto e nos anos mais recentes, ao processo de evolução e modernização das redes eléctricas surgiu o conceito de rede inteligente, usualmente designado na literatura por “smart grid”. Nas secções seguintes serão abordados os aspectos principais associados a alguns destes conceitos. 2. Redes inteligentes O termo rede inteligente ("smart grid") tem sido usado para se referir a uma grande variedade de procedimentos e esforços que visam a modernização das redes eléctricas ao longo dos últimos anos. O uso deste termo não tem um significado único para a indústria, as entidades governamentais ou a população em geral, mas talvez possa ser resumido como a ampliação do uso de novas tecnologias nas comunicações, sensores e sistemas de controlo em todos os níveis da rede eléctrica. A modernização dos sistemas de transmissão e distribuição de energia eléctrica contribuem para a manutenção da confiança e segurança nesta importante infra-estrutura, e preparando-a também para o crescimento no consumo de energia e para satisfazer cada um dos factores seguintes, que no seu conjunto caracterizam uma rede inteligente: 1. Aumento do uso da informação digital e controlo da tecnologia para melhorar a fiabilidade, a segurança, e a eficiência da rede eléctrica. 2. Optimização dinâmica das operações e recursos da rede, com total segurança ao nível cibernético. 3. Implementação e integração de recursos e geração distribuídos, incluindo os recursos energéticos renováveis. 4. Implementação de tecnologias inteligentes” (em tempo real, automatização, tecnologias interactivas e optimização do funcionamento dos electrodomésticos e de outros dispositivos eléctricos) para medição, comunicações sobre operações e estado da rede e distribuição automatizada. 5. Integração de aparelhos eléctricos inteligentes”. 6. Implementação e integração de sistemas avançados de armazenamento de energia e tecnologias de limitação dos picos de consumo, incluindo e veículos eléctricos híbridos e com recarregamento pela rede, e armazenamento de energia térmica. 7. Manter e actualizar a informação junto dos consumidores. 8. Desenvolvimento de protocolos de comunicação e interoperabilidade de aparelhos e equipamentos ligados à rede eléctrica, incluindo a infra-estrutura que serve de rede. 9. Identificar e eliminar as barreiras à adopção de tecnologias de rede, práticas e serviços “inteligentes”. 1 Neste contexto, o termo carga corresponde à energia eléctrica consumida.

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Sistemas de energia e redes eléctricas do futuro

1. Introdução

Os sistemas de energia eléctrica têm contribuído para o desenvolvimento e melhoria da qualidade de vida

das populações. As redes eléctricas são um feito notável na interligação dos sistemas de geração de

energia eléctrica a milhões de clientes residenciais, comerciais e industriais de forma eficiente e com

elevada fiabilidade através de milhares de quilómetros de linhas e equipamentos.

As redes eléctricas integram múltiplos sistemas, que de forma a continuarem a servir bem todos os

utilizadores enfrenta e enfrentará novos desafios que requerem o uso inteligente de novas tecnologias e

políticas regulatórias adequadas.

Um dos desafios mais importantes é a necessidade de incorporar mais energia renovável, nomeadamente

solar e eólica. A energia gerada por estes sistemas é variável ao longo do tempo e como a sua previsão é

incerta ou não totalmente confiável, dificulta a tarefa dos operadores das redes eléctricas em combinar a

geração e a carga1, que têm de ser iguais, à parte das perdas, em cada instante. Acresce ainda a

dificuldade de efectuar o armazenamento da energia eléctrica proveniente das energias renováveis. Com o

aumento da penetração da geração distribuída renovável surgem também desafios associados à concepção

e operação dos sistemas de distribuição de energia eléctrica, que podem ter reflexo nos custos da energia

eléctrica.

A crescente penetração de veículos eléctricos e o aumento do número de consumidores vão alterar o

padrão de consumo de energia eléctrica, o que se reflectirá nos picos de consumo e no valor médio da

energia consumida. Estas alterações requerem redes com capacidade energética instalada superior,

sistemas de gestão da rede melhorados e a adopção de soluções inovadoras nas tecnologias de rede de

forma a minimizar os efeitos de um aumento no consumo.

As melhorias nas redes eléctricas beneficiam dos desenvolvimentos tecnológicos em sensores, nas

comunicações, no controlo ou na electrónica de potência. Todas estas tecnologias requerem

comunicações de dados o que envolve questões de padronização, segurança cibernética, e privacidade.

Neste contexto e nos anos mais recentes, ao processo de evolução e modernização das redes eléctricas

surgiu o conceito de rede inteligente, usualmente designado na literatura por “smart grid”. Nas secções

seguintes serão abordados os aspectos principais associados a alguns destes conceitos.

2. Redes inteligentes

O termo rede inteligente ("smart grid") tem sido usado para se referir a uma grande variedade de

procedimentos e esforços que visam a modernização das redes eléctricas ao longo dos últimos anos. O

uso deste termo não tem um significado único para a indústria, as entidades governamentais ou a

população em geral, mas talvez possa ser resumido como a ampliação do uso de novas tecnologias nas

comunicações, sensores e sistemas de controlo em todos os níveis da rede eléctrica.

A modernização dos sistemas de transmissão e distribuição de energia eléctrica contribuem para a

manutenção da confiança e segurança nesta importante infra-estrutura, e preparando-a também para o

crescimento no consumo de energia e para satisfazer cada um dos factores seguintes, que no seu conjunto

caracterizam uma rede inteligente:

1. Aumento do uso da informação digital e controlo da tecnologia para melhorar a fiabilidade, a

segurança, e a eficiência da rede eléctrica.

2. Optimização dinâmica das operações e recursos da rede, com total segurança ao nível cibernético.

3. Implementação e integração de recursos e geração distribuídos, incluindo os recursos energéticos

renováveis.

4. Implementação de “tecnologias inteligentes” (em tempo real, automatização, tecnologias interactivas e

optimização do funcionamento dos electrodomésticos e de outros dispositivos eléctricos) para medição,

comunicações sobre operações e estado da rede e distribuição automatizada.

5. Integração de aparelhos eléctricos “inteligentes”.

6. Implementação e integração de sistemas avançados de armazenamento de energia e tecnologias de

limitação dos picos de consumo, incluindo e veículos eléctricos híbridos e com recarregamento pela rede,

e armazenamento de energia térmica.

7. Manter e actualizar a informação junto dos consumidores.

8. Desenvolvimento de protocolos de comunicação e interoperabilidade de aparelhos e equipamentos

ligados à rede eléctrica, incluindo a infra-estrutura que serve de rede.

9. Identificar e eliminar as barreiras à adopção de tecnologias de rede, práticas e serviços “inteligentes”.

1 Neste contexto, o termo carga corresponde à energia eléctrica consumida.

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Apesar do significado do termo rede inteligente sofrer adaptações de acordo com os diferentes pontos de

vista de cada um dos intervenientes e utilizadores das redes eléctricas, existem domínios claramente

definidos (Fig. 1):

Grandes sistemas de geração

Transmissão

Distribuição

Consumidores

Operação

Mercado

Fornecedores de serviços

Fig. 1. Modelo conceptual de uma rede inteligente.

A Fig. 1 ilustra todas as comunicações e a forma como a energia eléctrica flui em cada domínio e a forma

como os vários domínios estão interligados. Cada domínio é composto por elementos das redes

inteligentes que são ligados uns aos outros através de duas formas: redes de comunicações e redes de

energia eléctrica. Estas ligações são a base das redes eléctricas do futuro, tornando-as dinâmicas e

inteligentes.

O modelo conceptual de uma rede inteligente ajuda os interessados a compreender a construção e

expansão de um sistema de rede inteligente ponto a ponto, a geração para (e de) clientes, e a explorar a

relação entre os vários segmentos das redes inteligentes.

Uma rede inteligente é um grande "sistema de sistemas", onde cada domínio da rede inteligente quepode

ser dividido três camadas fundamentais:

i) Energia

ii) Comunicações

iii) Tecnologias da informação

As camadas ii) e iii) possibilitam aceder às plataformas da infra-estrutura da camada Energia contribuindo

para que a rede de energia seja "mais inteligente".

2.1. Grandes sistemas de geração

O domínio “Grandes sistemas de geração” da “smart grid” gera energia eléctrica a partir de fontes de

energia renováveis e não-renováveis em grandes quantidades, como o próprio nome indica. Essas fontes

também podem ser classificadas como fontes renováveis variáveis, como no caso da solar e da eólica;

renovável não variável, como a hídrica, a biomassa, a geotérmica e centrais de bombagem; ou não-

renovável não variável, como a nuclear, o carvão e o gás. A energia que é armazenada para posterior

distribuição pode também ser incluída neste domínio, como representado na Fig. 2.

Fig. 2. Classificação dos grandes sistemas de geração.

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2.2. Transmissão

O domínio “transmissão” é o domínio que permite transportar grandes quantidades de energia, a tensão

elevada (150, 220 e 400 kV no caso portugês), desde os sistemas de geração até às subestações das redes

de distribuição. Os sistemas de transmissão têm que ser fiáveis de forma a garantirem a continuidade de

serviço e a segurança do abastecimento de energia eléctrica, prevenindo falhas no fornecimento de

energia eléctrica (vulgarmente designados como apagões) e contribuindo para a robustez dos mercados de

energia. Os sistemas de transmissão incorporam sistemas tecnologicamente avançados como sistemas de

medição, armazenamento de dados ou redes de comunicações a longa distância que visam tornar os

sistemas de transmissão mais inteligentes e mais fiáveis. Os sistemas de transmissão avançados recorrem

também a aplicações computacionais que possibilitam a gestão técnica global das operações de rede em

tempo real ou de planeamento e análise off-line. Estas aplicações destinam-se também a proporcionar um

conhecimento amplo das condições de operação, monitorização da rede e análise detalhada do sistema de

energia, auxiliando na melhoria ou validação dos modelos de sistemas de potência usados para as

tomadas de decisão.

2.3. Distribuição

O domínio “Distribuição” distribui a energia eléctrica de e para os clientes finais da rede inteligente. À

rede de distribuição encontram-se ligados os sistemas de medida inteligentes e todos os dispositivos de

campo inteligentes, que são monitorizados e controlados através das redes de comunicações, podendo ser

usadas duas vias de comunicação: sem fio ou rede telefónica fixa. A “Distribuição” também pode

incorporar instalações distribuídas de armazenamento de energia e fontes alternativas distribuídas de

energia, como representado na Fig. 3.

Fig. 3. Domínio “Distribuição”.

2.4. Consumidores

O domínio “Consumidores” da rede inteligente é onde os utilizadores finais de energia eléctrica

(residencial, comercial e industriais) se encontram ligados à rede de distribuição eléctrica através de

sistemas de medida inteligentes. Os sistemas de medida inteligentes controlam e gerem o fluxo de energia

eléctrica de e para os clientes, fornecendo as informações sobre o uso da energia e padrões de energia.

Cada cliente tem um domínio discreto que assegura o trânsito de energia eléctrica e redes de

comunicações bidireccionais. No domínio “Consumidores” também pode ser gerada e armazenada

energia, assim como controlado o uso de energia. Um exemplo que pode incorporar estas três vertentes é

um veículo eléctrico com recarregamento pela rede, como representado na Fig. 4.

Fig. 4. Domínio “Consumidores”.

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2.5. Operação

O domínio “Operação” gere e controla o fluxo de energia eléctrica de todos os outros domínios na rede

eléctrica inteligente. A “Operação” usa uma rede de comunicações dedicada que comunica com as

subestações, as redes de instalações de clientes e outros dispositivos de campo inteligentes. A “Operação”

monitoriza, controla e supervisiona as informações e decisões necessárias ao funcionamento das redes

eléctricas desde a geração até ao consumidor final. Neste domínio são processados de forma inteligente

dados dos clientes e da rede, permitindo obter as informações necessárias às decisões que têm impacto no

funcionamento de uma rede eléctrica, como representado na Fig. 5.

Fig. 5. Domínio “Operação”.

2.6. Mercado

O domínio “Mercado” opera e coordena todos os intervenientes nos mercados de electricidade da rede

inteligente. O “Mercado” assegura a gestão do mercado, quer o grossista quer o de retalho, assim como

todas as transacções comerciais de serviços energéticos. O “Mercado” interage com todos os outros

domínios e garante que eles são coordenados num ambiente de mercado competitivo. O “Mercado”

também lida com a “Operação”, analisa as informações sobre energia disponíveis e troca informações

com os fornecedores de serviços a terceiros. Por exemplo, as informações sobre facturação da energia a

um veículo com recarregamento pela rede, está sob este domínio, como representado na Fig. 6.

Fig. 6. Domínio “Mercado”.

2.7. Fornecedores de serviços

O domínio “Fornecedores de serviços” da rede inteligente controla todas as operações de terceiros, entre

os vários domínios. Estas operações podem incluir portais “web” que fornecem serviços de gestão

eficiente da energia a clientes finais, a partilha de dados entre o cliente e os serviços públicos em matéria

de gestão de energia, ou em relação à energia fornecida para residências e edifícios. Também pode

efectuar a gestão de outros processos para os serviços públicos, tais como a qualidade do fornecimento da

energia, interrupções no fornecimento ou sobre anomalias e serviços de manutenção da rede, como

representado na Fig. 7.

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Fig. 7. Domínio “Fornecedores de serviços”.

3. Veículos eléctricos

Nas últimas décadas, as restrições e regulamentos ambientais aplicados às emissões de gases poluentes

pelos sistemas de transporte combinadas com a crise petrolífera, conduziram a que os veículos híbridos e

eléctricos atraíssem conjuntamente a atenção dos ambientalistas e da comunidade científica, mas

essencialmente das entidades públicas reguladoras e em consequência dos fabricantes de automóveis.

Na percepção da necessidade de reduzir consumos, emissões e melhorar o desempenho e rendimentos das

cadeias de propulsão dos automóveis, os grandes construtores de automóveis vislumbraram nos

propulsores eléctricos uma das principais soluções.

Os veículos que recorrem a motores eléctricos para auxiliar a sua tracção são denominados por veículos

eléctricos. Na actualidade e para a maioria dos veículos que se enquadram na definição anterior, os

veículos eléctricos podem ser divididos em dois grupos, categorizados essencialmente pelo grau de

dependência da tracção do veículo no motor eléctrico:

- Veículos eléctricos híbridos (HEV - Hybrid Electric Vehicle)2, e

- Veículos eléctricos a baterias (BEV - Battery Electric Vehicle).

Ao contrário dos híbridos (HEV), os veículos eléctricos a baterias (BEV) têm um sistema de tracção

integralmente eléctrico, dispensando a utilização de um motor de combustão interna, quer para auxiliar a

tracção eléctrica, quer para carregar as baterias que alimentam o motor eléctrico.

No contexto actual do desenvolvimento dos veículos eléctricos, os mesmos estão dependentes da forma

como é feito o recarregamento dos sistemas de armazenamento de energia embarcados. Soluções com

recarregamento pela rede (plug-in) encontram-se à disposição no mercado. De entre as existentes, os

veículos híbridos com recarregamento pela rede (PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle) são as mais

comuns.

3.1. Veículos eléctricos a baterias (BEV)

O início do desenvolvimento dos veículos eléctricos remonta a 1834, tendo a sua aplicação e

comercialização sido residual até aos anos 70 do século XX. Desde então a aplicação de veículos

eléctricos, devido às limitações inerentes ao deficitário desempenho dos grupos de baterias, tem-se

resumido a veículos de pequena tonelagem e utilização em pequenas distâncias.

Na última década existiu um reforço de investimento na investigação e desenvolvimento de veículos

ligeiros eléctricos, como pode ser ilustrado pelo constante aparecimento de novos protótipos em salões

internacionais de automóveis e a comercialização efectiva de veículos eléctricos puros alimentados por

baterias.

Estruturalmente um veículo eléctrico alimentado a baterias não apresenta uma topologia muito complexa,

os grupos de baterias estão ligados a um controlador/conversor que por sua vez está ligado a um ou mais

motor eléctricos genericamente motores de indução ou síncronos. A Fig. 8 ilustra de forma muito geral as

principais ligações do tipo de propulsão eléctrica mais generalizado, a de um veículo eléctrico alimentado

por baterias. No entanto existem variantes ao nível do número de motores eléctricos por veículo, existindo

protótipos de veículos com mais que um motor eléctrico embarcado, caso dos 4x4 eléctricos que possuem

um motor por roda ou da existência de 2 motores embarcados nas rodas traseiras que permitem ao veículo

ser controlado direccionalmente através do motor.

2 Optou-se pelo uso das siglas anglo-saxónicas por serem a forma mais comum de referenciar estes tipos

de veículos ou sistemas.

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Fig. 8. Esquema simplificado de um BEV.

Por outro lado, o desenvolvimento de um veículo eléctrico obriga a que sejam reunidos conteúdos

teóricos de diversas áreas de engenharia, desde a engenharia mecânica/automóvel que influi directamente

na aerodinâmica e transmissão do veículo, passando pela engenharia electrotécnica, cada vez mais

influente e decisiva no desenvolvimento do motor eléctrico e da electrónica de potência, até à engenharia

química associada às problemáticas baterias. Se os motores eléctricos e a tecnologia estrutural e de

transmissão do veículo estão globalmente e satisfatoriamente desenvolvidas, a associação dos grupos de

baterias com a electrónica de potência levanta ainda muitos problemas ao nível do tempo de

recarregamento, da autonomia disponibilizada ao veículo e da gestão energética a bordo do veículo.

Gradualmente tem-se vindo a tentar aumentar a capacidade das baterias e tentar reduzir o tempo de

recarregamento, no entanto, a grande lacuna dos veículos eléctricos assenta principalmente na densidade

de energia das baterias3 em utilização face à disponibilizada pelo combustível fóssil. A obtenção de

características que confiram ao veículo eléctrico uma capacidade fortemente competitiva face ao veículo a

combustão interna, em termos de armazenamento de energia faz com que novos sistemas de

armazenamento tendam a ser considerados e progressivamente optimizados, caso das baterias níquel -

hidretos metálicos (Ni-MH), das baterias associadas ao lítio (vertentes de polímeros e ferro fosfato), e

como complemento das baterias os super-condensadores e os volantes de inércia (Flywheels).

O veículo eléctrico anda tem muito para evoluir de forma a afirmar-se no mercado automóvel como

alternativa às soluções equipadas com motores de combustão interna. A tecnologia implementada nos

veículos actuais permite obter um desempenho razoavelmente satisfatório, com uma entrada no mercado

de forma apelativa devido à inexistência ou menor tributação directa e indirecta sobre os veículos

eléctricos devido à não emissão de gases poluentes localmente.

3.2. Veículos eléctricos híbridos (HEV)

O primeiro veículo eléctrico híbrido foi desenvolvido em 1898 pelo Dr. Ferdinand Porsche. Na

actualidade existem algumas dezenas de modelos de veículos eléctricos híbridos no mercado. Nos

sistemas de transporte actuais os veículos a combustão interna apresentam um rendimento energético

relativamente baixo, cerca de 25%. A combinação conceptual de um motor a combustão interna com um

motor eléctrico num veículo automóvel tem por objectivo aumentar o rendimento energético da cadeia de

propulsão e baixar o nível de emissões de gases.

Os veículos híbridos convencionais possuem um motor de combustão interna (ICE - Internal Combustion

Engine) e um motor eléctrico de pequena potência, dito auxiliar de locomoção. O propulsor eléctrico

poderá funcionar como motor ou gerador. Em regime motor, o seu funcionamento será adequado para

baixas rotações e circuitos citadinos, situações em que o rendimento do motor de combustão é bastante

baixo e muito poluente. Em regime gerador, quando o veículo atinge determinadas velocidades (mais

elevadas), pode aproveitar-se a energia cinética na situação de travagem (Regenerative Braking) para

recarregar as baterias que alimentam o motor eléctrico. Em alternativa às baterias, tipicamente de iões de

lítio ou Ni-MH, surgem protótipos que integram soluções inovadoras como os volantes de inércia e super-

condensadores. No entanto, na actualidade, no mercado apenas existem disponíveis para comercialização

veículos com armazenamento electroquímico (baterias).

Os veículos híbridos apresentam diferentes topologias de interligação entre o sistema propulsor a

combustão e o sistema propulsor eléctrico. De entre as variantes apresentam-se as três mais generalizadas:

- a topologia série;

- a topologia paralelo;

3 Densidade de energia – relação entre a quantidade de energia contida em um dado sistema ou região do

espaço e o volume ou a massa, respectivos. No caso das baterias, é usual especificar-se a densidade de

energia em Wh/kg.

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- a topologia série-paralelo.

A topologia série, apresentada resumidamente na Fig. 9, é caracterizada por ter o motor eléctrico

acoplado à transmissão do veículo e o motor de combustão interna servir como gerador4. A energia

eléctrica gerada pelo motor de combustão interna pode servir para carregar as baterias ou alimentar o

motor eléctrico. Esta topologia é a mais indicada para percursos urbanos e menos para percursos longos,

uma vez que a utilização do motor eléctrico em percursos longos faz diminuir o rendimento desta solução

significativamente.

Fig. 9. Esquema simplificado da topologia série.

A topologia paralelo, apresentada resumidamente na Fig. 10, tem como característica principal a ligação à

transmissão tanto do propulsor eléctrico como do propulsor a combustão interna, permitindo que a

locomoção do veículo seja efectuada por qualquer um destes dois sistemas.

A mesma topologia permite também que quando o motor de combustão se encarrega da locomoção do

veículo o propulsor eléctrico entre em modo gerador e carregue as baterias de alimentação. Esta topologia

apresenta um maior leque de acção pelo que se pode assumir que é mais vantajosa e polivalente que a

topologia série.

A topologia série-paralelo, apresentada na Fig. 11, é uma combinação das topologias anteriores. Esta

topologia é absolutamente polivalente no modo de funcionamento do veículo, permitindo a escolha do

modo de funcionamento do veículo em locomoção. No entanto o seu nível de complexidade torna esta

topologia mais dispendiosa, o que se reflecte no custo final do veículo.

Fig. 10. Esquema simplificado da topologia paralelo.

Fig. 11. Esquema simplificado da topologia série-paralelo.

4 Na verdade a energia eléctrica não é gerada pelo motor de combustão interna, mas sim pelo gerador que

lhe está acoplado. Enquanto uma máquina eléctrica pode funcionar tanto como motor como gerador, o

motor de combustão interna tem de ter um gerador acoplado para fornecer energia eléctrica.

Usa-se esta terminologia para simplificação da linguagem.

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Caracteristicamente, os veículos híbridos são divididos em três classes:

- veículo híbrido Mini;

- veículo híbrido Médio;

- veículo híbrido Completo.

Esta divisão e classificação são feitas consoante o nível de potência do motor eléctrico e correspondente

funcionalidade operacional.

Um veículo híbrido Mini apresenta uma potência que não supera os 2,5kW ou 2,4CV5 e tipicamente

acrescenta um aumento de 5 a 10 % de eficiência face a soluções convencionais. Um veículo Médio

apresenta potências na ordem dos 10-20kW ou 13,6-27,2CV o que possibilita que haja um aumento de 20

a 30 % na eficiência global do veículo. Um veículo Completo apresenta uma potência superior a 50kW ou

68,0CV, tipicamente associado a uma topologia série-paralelo e uma eficiência superior na ordem dos

40%. No entanto, este tipo de veículo híbrido sofre uma penalização no custo total do veículo na ordem

dos 30%.

De uma forma natural, a evolução e aperfeiçoamento energético dos veículos híbridos eléctricos inclui os

veículos híbridos com recarregamento pela rede (plug-in). Os veículos plug-in apresentam múltiplas

vantagens em relação aos veículos híbridos comuns.

A primeira e mais importante vantagem está relacionada com o carregamento das baterias ser feito com

recurso a energia proveniente da rede eléctrica e não através do motor de combustão interna. O

carregamento das baterias através da rede é economicamente mais atractivo, como por exemplo nas horas

de vazio, em que o carregamento pode ser realizado com custos do kWh substancialmente mais reduzidos

e a energia eléctrica provenientes de fontes renováveis. Este último facto, confere também uma vantagem

ambiental a este tipo de solução.

Os veículos plug-in estão equipados, tipicamente, com baterias de maior capacidade em relação aos

veículos híbridos convencionais. Esse aumento de capacidade pode propiciar um aumento de autonomia

dos veículos eléctricos em modo puramente eléctrico. Um aumento relativo da autonomia do veículo

híbrido que consuma energia eléctrica implica à partida uma redução de emissões de gases poluentes.

Com os veículos híbridos plug-in surge o conceito de ligação bidireccional entre a rede eléctrica e a frota

de veículos ligeiros deste tipo de forma a criar uma simbiose entre sectores.

O conceito Vehicle to Grid - V2G tem na sua génese a integração lógica do veículo eléctrico no conceito

das Smart Grids, pelo que se espera que futuramente a aposta nos veículos híbridos plug-in continue a ser

uma aposta dos fabricantes de automóveis, em linha com o que se passa actualmente. O conceito V2G

confere ao veículo, não só a possibilidade de receber energia da rede, ma também a possibilidade de

fornecer energia eléctrica, quando armazenada nos sistemas de armazenamento de energia embarcados e

não necessária para a normal operação do veículo eléctrico. Esta funcionalidade pode ser bastante útil

como forma de armazenar energia eléctrica proveniente de sistemas de geração renováveis (geração

incerta e de difícil previsão) em períodos do dia em que os consumos são menores (vulgarmente

designadas por horas de vazio). É no entanto importante referir que esta funcionalidade é pouco eficiente

do ponto de vista energético.

3.3. Carregamento indutivo sem fios em veículos eléctricos

Os sistemas e formas de carregamento dos sistemas de armazenamento de energia dos veículos eléctricos

têm evoluído tecnologicamente num permanente desafio ao conhecimento e à imaginação. Dado o

crescente número de veículos eléctricos em circulação, formas de carregamento rápidas, versáteis e

eficazes terão de ser implementadas, “com fios” ou “sem fios”.

Os sistemas de carregamento indutivo são uma solução sem fios que tem encontrado aplicação no

carregamento de baterias de equipamentos como ratos e escovas de dentes, que se baseiam no princípio

da indução electromagnética a alta frequência.

A adopção deste tipo de carregamento em sistemas com as especificidades dos veículos eléctricos é

complexa. No entanto, os fabricantes de automóveis têm vindo a desenvolver e testar soluções de

carregamento indutivo.

5 A unidade cavalo-vapor [CV] é utilizada frequentemente apesar de não pertencer ao SI de unidades.

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Fig. 12. Esquema de princípio para o carregamento indutivo.

De uma forma genérica, tal como ilustrado na Fig. 12, os sistemas de carregamento indutivo são

constituídos por sistemas que se encontram no interior do veículo e outros que se encontram em locais

exteriores ao mesmo.

No exterior do veículo, existem:

- o “controlador de carga”, que tem como constituinte principal um conversor electrónico de

potência6.

- o “indutor”, que faz conjunto com o bloco captura de energia, possibilita que a energia seja

transferida, por indução magnética, do exterior para o interior do veículo.

No interior do veículo, o sistema de carregamento indutivo recorre parcialmente à cadeia de tracção

(basicamente, exclui-se o motor eléctrico):

No interior do veículo, existem7:

- “Conversor AC/DC”, que permite fazer a conversão de energia fornecida pela rede eléctrica

exterior ao veículo (geralmente com uma frequência elevada de forma a tornar eficiente este processo de

transferência de energia) para que a mesma possa ser usada para carregar as baterias de acordo com as

especificações técnicas das mesmas.

- “Sistema de gestão de energia”, que permite gerir os fluxos de energia nos diversos modos de

operação do veículo (aceleração, desaceleração, velocidade de cruzeiro, carregamento, etc).

- “Baterias”, que representam o sistema de armazenamento de energia embarcado no veículo, e

que (na?) actualidade são soluções electroquímicas.

Relativamente ao carregamento indutivo é importante referir que o funcionamento e o projecto dos

sistemas anteriores apresentam elevada complexidade devendo para o efeito ser consultada a literatura da

especialidade, onde são descritas as diversas variantes deste tipo de sistema.

3.4. Modos de carregamento com fios

O modo de carregamento de um veículo eléctrico é um aspecto importante na integração dos veículos

eléctricos em redes inteligentes. A gestão, monitorização e controlo da energia que a rede terá que

providenciar aos veículos eléctricos são aspectos fundamentais no funcionamento das “smart grids”.

6 O conversor electrónico de potência que integra este bloco pode basear-se em diversas topologias e com

complexidade distintas. Neste capítulo, optou-se por fazer-se apenas uma referência genérica. 7 Os sistemas no interior do veículo não são exclusivos deste modo de carregamento sem fios. Integram o

sistema de tracção em várias funcionalidades.

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a) Modo 1 b)Modo 2

b) Modo 3 d) Modo 4

Fig. 13. Modos de carregamento.

A norma EN/NP61851 – Sistema de carga condutiva para veículos eléctricos define como deve ser feito o

carregamento de um veículo eléctrico e em que condições. Neste documento normativo são definidos 4

modos de carregamento:

Modo 1: Ligação do veículo eléctrico à rede de alimentação utilizando tomadas normalizadas

no lado da rede de alimentação (monofásica ou trifásica, com condutores de fase(s), de neutro e

de terra de protecção). O Modo 1 de carga depende da presença de um dispositivo de corrente

residual (RCD – Residual Current Device)8 no lado da rede de alimentação.

Modo 2: O Modo 2 é um sistema de carregamento que possui um relé de corte de alimentação9

e um sistema electrónico associado à tomada de fornecimento10

, bem como um disjuntor

diferencial, os quais estão instalados na Caixa de Controlo do Cabo (ICCB - In-cable Control

Box), que está instalada numa das extremidades do cabo de ligação, e de onde sai uma ligação

e ficha normalizada para ligação à rede eléctrica.

Modo 3: é um sistema de fornecimento de energia em corrente alternada, desenvolvido

especificamente para veículos eléctricos. Este sistema visa aumentar a segurança do processo

de carregamento de um VE e reduzir o risco decorrente de eventuais erros de manipulação por

seres humanos e de defeito de isolamento eléctrico do VE, cabo de ligação ou tomada de

fornecimento. O sistema Modo 3 é constituído por três componentes fundamentais: relé de

corte de alimentação9, Sistema electrónico associado à tomada de fornecimento

10 e tomadas e

fichas de fornecimento dedicadas11

.

8 Dispositivo de corrente residual - aparelho mecânico destinado a provocar a abertura de contactos

quando a corrente diferencial residual (ou de fugas, geralmente originada por anomalias ou defeitos no

circuito eléctrico) atingir um dado valor pré-regulado. 9 Relé de corte de alimentação - permite a alimentação ou o corte da tomada quando o sistema

electrónico o indicar. 10

Sistema electrónico associado à tomada de fornecimento - através do condutor de “piloto de

controlo”, permite, pelo estabelecimento contínuo de uma pequena corrente entre a tomada de

fornecimento e o veículo, monitorizar a manutenção das condições de isolamento das partes em tensão

durante uma sessão de carregamento. Este sistema electrónico permite ainda, através de uma simples

forma de comunicação utilizando o condutor de “piloto de controlo”, que seja estabelecido um limite à

corrente solicitada pelo carregador do veículo, em função das condições da tomada de fornecimento e das

condições da instalação eléctrica a montante. Em caso do não cumprimento em cada instante destas

condições, significa que existe uma falha em alguma parte do circuito e o sistema electrónico não

energiza a tomada de fornecimento, através do comando do relé. 11

Tomadas e fichas de fornecimento dedicadas - incluem condutores de energia, fases e neutro, terra

de protecção, condutor do sinal de “piloto de controlo” e sensor de inserção de ficha na tomada. As

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11

Modo 4: é definido como “a ligação indirecta do VE à rede de alimentação utilizando um

carregador externo”. Como exemplo do Modo 4 existem os carregadores rápidos em corrente

contínua que alimentam a bateria do veículo directamente em DC, sem recurso ao carregador

de bordo.

Tem sido comummente aceite, quer pela indústria de componentes eléctricos e electrónicos quer pelos

fabricantes de automóveis, que o Modo 3 é a solução mais adequada para o carregamento de veículos

eléctricos.

Devido ao potencial do carregamento em Modo 3, têm decorrido iniciativas de normalização

Internacionais e Europeias para este sistema. Neste âmbito, importam referir as soluções propostas para as

tomadas/fichas do Modo 3, existindo duas europeias e uma japonesa/americana, existido a possibilidade

de surgirem ainda outras soluções. Dado que estas fichas têm ligações aos sistemas de comunicações, a

largura de banda das soluções existentes pode ser insuficiente nalgumas condições, o que pode conduzir a

alterações nas configurações das tomadas actualmente propostas.

Na tabela 1 apresenta-se uma súmula das características e fotografias das tomadas/fichas referidas

anteriormente.

Tabela 1 – Tomadas e fichas para Modo 3.

Modo 3: Fichas e

Tomadas

Tipo 1

“Yazaki”

Tipo 2 “Mennekes” Tipo 3

“Scame”

N.º Fases Monofásica Monofásica/trifásica Monofásica/trifásica

Corrente 32 A 70 A (Monofásica)

63 A

32 A

Tensão 250 V 500 V 500V

N.º Pinos 5 (Fase, Neutro, Terra,

Detector de inserção e

Piloto de controlo)

7 (3 Fases, Neutro,

Terra, Detector de

inserção e Piloto de

controlo)

5 ou 7 (1 ou 3 Fases,

Neutro, Terra,

Detector de inserção

e Piloto de controlo)

Do ponto de vista electrotécnico, um dos aspectos importantes inerente aos modos de carregamento dos

veículos eléctricos são os níveis de tensão e corrente que os caracterizam. De acordo com a norma

EN/NP61851 e com as especificidades da rede eléctrica portuguesa, estes valores encontram-se definidos

para todos os modos, tal como representado na Fig. 14.

Fig. 14. Níveis de tensão e corrente para os modos 1, 2, 3 e 4 definidos anteriormente.

tomadas têm ainda embutidas no seu desenho um mecanismo de encravamento da ficha na tomada, após

inserção.

4

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12

Outro aspecto e conceito inerente aos modos de carregamento é o tempo de carregamento, que

vulgarmente é referido como:

- carregamento lento, ou

- carregamento rápido.

A descrição das soluções técnicas usadas para carregar um veículo eléctrico é vasta e complexa. Na tabela

2, resumem-se os níveis de potência e os tempos de carregamento respectivos.

Tabela 2 – Níveis de potência e tempo de carregamento dos modos de carregamento 1, 2, 3 e 4 definidos

anteriormente.

1.Carregamento

Doméstico

2. Carregamento

“Normal”

3. Carregamento

“Rápido”

Potência Máxima 3,7 kW Até 22/43 kW Até 240 kW (DC)

Até ~220 kW (AC)

Duração

da carga

10 kWh ~ 3h 15-30 min < 5 min

20 kWh ~ 5,5 h 30-60 min ~ 5 min

30 kWh ~ 11 h 60-120 min ~ 10 min

4. Electrónica de potência

Como referido ao longo deste capítulo, a electrónica de potência é um dos aspectos importantes tanto no

conceito de rede inteligente como nos veículos eléctricos.

A electrónica de potência tem como objectivo o estudo de conversores electrónicos constituídos por

dispositivos semicondutores de potência que transformam ou regulam a energia eléctrica entre dois

circuitos. A utilização de conversores electrónicos de potência tem crescido ao longo das últimas décadas.

Este crescimento tem sido devido à utilização destes equipamentos em diversas áreas, como as redes

inteligentes e os veículos eléctricos, mas também nas energias renováveis, sistemas de comunicações ou

na robótica, por exemplo.

Os conversores electrónicos de potência podem classificar-se de acordo com o tipo de conversão de

energia. De uma forma genérica podem ser divididos em:

Conversores alternado-contínuo: usados em sistemas em que a energia é regulada entre um

circuito que é de corrente/tensão alternada e um circuito em tensão/corrente contínua.

Conversores alternado-alternado: a tensão e a corrente de ambos os circuitos são alternadas.

Conversores contínuo-contínuo: a tensão e a corrente de ambos os circuitos são contínuas.

A classificação dos conversores electrónicos de potência pode também fazer-se de acordo com o princípio

de funcionamento dos dispositivos semicondutores de potência. Neste caso, podem ser classificados em:

- conversores de comutação natural: a passagem de um dispositivo semicondutor do estado

condutor ao estado de bloqueio depende da evolução da corrente que o percorre por acção de outros

elementos que integram os circuitos eléctricos.

- conversores de comutação forçada: a passagem de um dispositivo semicondutor do estado

condutor ao estado de bloqueio resulta da acção de sinais de comando ou da acção de circuitos auxiliares

que modificam temporariamente a evolução das tensões e das correntes aos terminais dos dispositivos

semicondutores.

Para concretizar os tipos de conversão de energia referidos, existem inúmeras e diversas topologias. A

complexidade e o desempenho das mesmas podem ser adaptados de acordo com os requisitos da

aplicação ou do sistema eléctrico onde será utilizado.

O desenvolvimento de novas topologias para os circuitos electrónicos de potência é uma actividade que

envolve recursos humanos tanto ao nível industrial como académico. A electrónica de potência tem

alargado o seu campo de aplicação, na medida em que novos desenvolvimentos tecnológicos e aplicações

nas mais diversas áreas venham a ser obtidos. Nos anos vindouros, prevê-se que os novos

desenvolvimentos na electrónica de potência incidam sobre as seguintes áreas e tópicos:

- integração de sistemas de energia renovável nas redes eléctricas

- electrificação dos sistemas de transporte

- casas inteligentes

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- conversão electrónica de energia “adiabática”12

- soluções para conversores “monolíticas”13

- sistemas multi-nível para potências elevadas

- eficiência energética/poupança de energia

- redes em corrente contínua

- aplicações de grande largura de banda

De forma semelhante à evolução observada ao longo das últimas décadas, a aplicação dos sistemas

electrónicos de potência continuará a diversificar-se. Esta integração crescente, têm sido também o

reflexo dos avanços na tecnologia dos microprocessadores, permitindo um controlo eficiente e robusto de

inúmeras aplicações ao nível industrial.

5. Conclusões

Neste texto abordaram-se de forma sucinta e generalizada as redes eléctricas do futuro e alguns dos

sistemas de energia que terão impacto no seu funcionamento.

Como notas finais importa realçar o seguinte:

As redes inteligentes (“smart grids”) traduzem e reflectem os avanços tecnológicos em diversas

áreas e uma aproximação entre os vários interlocutores de uma rede de energia. Como exemplo,

ficaremos pelo caso ao nível do consumidor que pode, com uma rede inteligente, fornecer

energia à rede através de sistemas de micro-geração.

Os veículos eléctricos irão aumentar o seu nível de penetração nos anos vindouros. Se no

panorama actual a sua autonomia ainda não é satisfatória, a percepção dos consumidores e dos

fabricantes quanto às suas vantagens irá contribuir para acelerar este processo. No entanto, o

impacto no consumo de energia e a necessidade de redes eléctricas que suportem este tipo de

“carga” será também uma realidade.

Os sistemas electrónicos de potência são transversais às mais variadas aplicações. A sua

evolução terá impacto nas redes inteligentes e nos veículos eléctricos, o que contribuirá,

certamente, para a melhoria da qualidade de vida das populações.

Duarte M. Sousa nasceu Viana do Castelo, Portugal, em 1970. Obteve os graus

de Licenciado, Mestre e Doutor em Engenharia Electrotécnica e de

Computadores pelo Instituto Superior Técnico em 1993, 1996 e 2003,

respectivamente.

É docente no Instituto Superior Técnico desde 1993, com a categoria de Prof.

Auxiliar desde 2003.

É investigador no INESC-ID.

Tem como interesses científicos principais a conversão electromecânica de

energia, o equipamento de RMN de campo cíclico rápido e os veículos

eléctricos.

Rui Castro é doutorado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores,

professor auxiliar da Área Científica de Energia do Departamento de Engenharia

Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior Técnico (IST) e

investigador sénior do INESC-ID; é responsável da disciplina “Energias

Renováveis e Produção Descentralizada" dos cursos de Mestrado em Engenharia

Eletrotécnica e de Computadores e Mestrado em Engenharia e Gestão de Energia

do IST; é autor dos livros “Uma Introdução às Energias Renováveis" e

“Exercícios de Redes e Sistemas de Energia Elétrica", publicados pela ISTPress,

e autor de mais de uma centena de artigos em revistas e conferências nacionais e

internacionais; no âmbito da atividade de investigação, participou, em diversos projetos de colaboração

com empresas, designadamente com a REN, EDP, EDA, EEM, AREAM e ERSE.

12

Entenda-se como “adiabática” a conversão de energia sem que haja troca de calor com o ambiente, isto

é, sem perdas. Nota: este conceito aplica-se dado que a eficiência dos conversores electrónicos tem vindo

a ser melhorada gradualmente. 13

Entenda-se como “monolíticas”, soluções com vários circuitos ou componentes integrados num bloco

portátil, rígido e indivisível.