sistemas de energia e redes eléctricas do futuro · redes eléctricas - electrificação dos...

Sistemas de energia e

redes eléctricas do futuro

Duarte Mesquita Sousa

Instituto Superior Técnico

Universidade de Lisboa

Portugal

Sumário

Redes inteligentes

Veículos Eléctricos

Rede inteligente/”Smart grid”


• O termo rede inteligente ("smart grid") está

associado à modernização dos sistemas

de transmissão e distribuição de energia

eléctrica das redes eléctricas.

• O uso deste termo não tem um significado

único para a indústria, as entidades

governamentais ou a população em geral.


• Novas tecnologias:

– comunicações

– sensores

– sistemas de controlo em todos os níveis da

rede eléctrica.

Crescimento do consumo de energia

eléctrica.

Perfil do consumidor.


• Características de 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”.


• Modelo conceptual de uma rede

inteligente:

– Grandes sistemas de geração

– Transmissão

– Distribuição

– Consumidores

– Operação

– Mercado

– Fornecedores de serviços


• Uma rede inteligente é um grande "sistema de

sistemas", onde cada domínio da rede inteligente

que pode 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".


• “Grandes sistemas de geração”:

- fontes de energia (em grandes quantidades)

Renováveis variáveis:

solar e eólica.

Renovável não variável:

hídrica, a biomassa,

a geotérmica e

centrais de bombagem.

Não-renovável não variável:

nuclear, o carvão e o gás.


• “Transmissão”:

- permite transportar grandes quantidades de

energia, a tensão elevada (150, 220 e 400 kV no

caso português), desde os sistemas de geração até

às subestações das redes de distribuição.

o Fiabilidade

o Continuidade de serviço

o Segurança do abastecimento de energia eléctrica (falhas

no fornecimento, “apagões”)


• “Distribuição”:

– distribui a energia eléctrica de e para os

clientes finais da rede inteligente.

o Sistemas de medida inteligentes

o Comunicações: sem fio

ou rede telefónica fixa.

o Instalações distribuídas de

armazenamento de energia

o Fontes alternativas

distribuídas de energia


• “Consumidores”:

- utilizadores finais de energia eléctrica

(residencial, comercial e industriais)

o Trânsito de energia eléctrica

e redes de comunicações

bidireccionais

(Consumir, gerar e armazenar).

VEÍCULOS ELÉCTRICOS


• “Operação”:

- gere e controla o fluxo de energia

eléctrica de todos os outros domínios na rede

eléctrica inteligente.

o rede de comunicações dedicada

o monitoriza, controla e supervisiona

as informações e decisões

necessárias ao funcionamento

das redes eléctricas desde a

geração até ao consumidor final.


• “Mercado”:

-opera e coordena todos os intervenientes

nos mercados de electricidade da rede

inteligente.

o Interage com todos

os outros domínios

o Informações sobre

facturação da energia a

um veículo com

recarregamento pela rede.


• “Fornecedores de serviços”:

- controla todas as operações de terceiros,

entre os vários domínios.

o Portais “web”

o Serviços de gestão

eficiente da energia

o Qualidade do fornecimento

da energia

o Interrupções no fornecimento

o Anomalias

o Serviços de manutenção da rede


• O

Exemplos de veículos eléctricos

Fontes: www.mitsubishi-motors.pt/; www.renault.pt; www.teslamotors.com; www.nissan.pt; www.opel.pt; www.alstom.com;

www.siemens.com; www.tecnobus.it; www.electric-bikes.com/; solarimpulse.com; ecoble.com; http://www.bateau-electrique.com/.

http://www.mitsubishi-motors.pt/



http://www.renault.pt/

http://www.teslamotors.com/

http://www.nissan.pt/

http://www.opel.pt/

http://www.alstom.com/

http://www.siemens.com/

http://www.tecnobus.it/

http://www.electric-bikes.com/



http://www.solarimpulse.com/

http://www.ecoble.com/

http://www.bateau-electrique.com/




• Os veículos que recorrem a motores eléctricos

para auxiliar a sua tracção são denominados por

veículos eléctricos.

Mas …

As cadeias de tração podem não ser 100%

eléctricas!

- Veículos eléctricos a baterias (BEV - Battery Electric

Vehicle).

- Veículos eléctricos híbridos (HEV - Hybrid Electric Vehicle).


• Os veículos eléctricos a baterias (BEV) têm um

sistema de tracção integralmente eléctrico.

• O desenvolvimento dos veículos eléctricos está

associado aos sistemas de armazenamento de

energia (armazenamento e recarregamento).

Veículos híbridos com recarregamento pela rede

(PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle)


• Esquema simplificado de um BEV:

Veículo Eléctrico - BEV

Motor Elétrico

Sistema de armazenamento

de energia

Conversor Eletrónico

Conversor Eletrónico

“Acelerador”

Bateria(auxiliar)

Outros componentes do VE

Rede Elétrica/Fonte de energia

• Os veículos híbridos apresentam diferentes

topologias de interligação entre o sistema

propulsor a combustão e o sistema propulsor

eléctrico:

- a topologia série;

- a topologia paralelo;

- a topologia série-paralelo.

Veículo Eléctrico Híbrido - HEV

• Topologia série:


• Topologia paralela:


• Topologia série-paralela:


Veículo eléctrico - PHEV

• Os veículos plug-in apresentam múltiplas

vantagens em relação aos veículos híbridos

comuns.

o Carregamento das baterias a partir da rede eléctrica

e não através do motor de combustão interna (custo

kWh e disponibilidade).

o Vantagem ambiental (carregamento nas horas de

vazio)

o Autonomia

o Redução de emissões de gases poluentes.

Veículo eléctrico - PHEV

• Com os veículos híbridos plug-in surge o

conceito de ligação bidireccional entre a rede

eléctrica e o veículos.

o Vehicle to Grid - V2G: o veículo tem possibilidade

de receber e fornecer energia à rede (“Smart grid”)

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 (horas de vazio).

• O motor a gasolina pode ser desligado sempre

que o carro pare, encoste ou trave, sem que os

dispositivos electrónicos deixem de funcionar.

• O motor pode ser arrancado rapidamente sem

grande poluição.

• O motor eléctrico pode recuperar energia

durante a travagem e desaceleração.

O que significa “PHEV-20”?

E “PHEV-32km”?

Veículos Híbridos

Vantagens dos veículo

eléctricos

• Eficiência energética

• Redução das emissões de gases estufa

• Custos de Operação

• Tecnologia veículo-rede

• Carregamento no domicílio ou no local

de trabalho

• Facilidade na obtenção da energia

• Produção de energia eléctrica em casa

Desvantagens dos veículos

eléctricos

• Embora os PHEV’s reduzam o consumo de gasolina, pode não significar a redução da emissão de gases estufa.

• O custo da aquisição de um veículo PHEV é bastante elevado.

• As baterias mais vulgares são pesadas e de grande dimensão.

• Requer implementação e disponibilização de locais para recarregamento.

• Aumento do consumo de energia eléctrica.

Veículos eléctricos

Mas…

Existem muitos Veículos Eléctricos em circulação?

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

&

SISTEMA DE CARREGAMENTO

Veículos eléctricos –

Carregamento indutivo

• Carregamento sem fios:



• No exterior do veículo, existem:

- o “controlador de carga”, que tem como

constituinte principal um conversor electrónico de

potência.

- 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:

- “Conversor AC/DC”, que permite fazer a

conversão de energia fornecida pela rede eléctrica exterior

ao veículo para que a mesma possa ser usada para

carregar as baterias.

- “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.



• Sistema com elevada complexidade

• O conversor electrónico de potência que integra

este bloco pode basear-se em diversas

topologias e com complexidade distintas.

• Os sistemas no interior do veículo não são

exclusivos deste modo de carregamento sem

fios. Integram o sistema de tracção em várias

funcionalidades.

Armazenamento de energia

• Baterias

• Pilhas de combustível

• Volantes de inércia

• Condensadores/ Supercondensadores

- Ácido - chumbo

- Níquel - hidretos metálicos

- lítio: iões e polímero

- nano titanato

- Níquel – cádmio

- Zebra (Sódio – Cloreto de níquel)

Fontes: www.panasonic.pt; www.autosil.pt; www.varta.pt; www.varta-automotive.com;

www.altairnano.com.

Baterias

http://www.panasonic.pt/

http://www.autosil.pt/

http://www.varta.pt/

http://www.varta-automotive.com/



http://www.altairnano.com/

O comportamento de uma bateria não é linear e

varia pelas seguintes razões:

Estado de carga (SOC)

Capacidade de armazenamento da bateria

Taxa de carga/descarga

Temperatura

Idade da bateria

Reacções químicas secundárias que se dão

internamente

Baterias

• Uma PILHA DE COMBUSTÍVEL é um dispositivo que

converte energia química de um combustível (hidrogénio,

gás natural, metanol, gasolina, …) e um oxidante (ar ou

oxigénio) em energia eléctrica.

Fonte:

wikipedia.org

Fontes: Ac. Energia/ IST;

www.ballard.com.

Fonte

: h

ttp://w

ww

.me

rcedes-b

enz.c

om

Pilha de combustível

• Os volantes de inércia são sistemas complexos onde a

energia é armazenada mecanicamente (energia cinética).

• A energia é trocada com o volante de inércia através de

uma máquina eléctrica

(motor/gerador).

Fonte: Schouler, Adrien; Sapin, Julien; Kluyskens, Virginie; Labrique, Francis;

Dehez, Bruno; “Study and control of magnetic bearing for flywheel energy storage

System”, POWERENG’07 Conference, 2007.

Volantes de inércia

Os supercondensadores (ou

ultracondensadores) têm uma densidade

energética muito superior aos condensadores.

Fontes: www.abb.com; www.elna.com.

Supercondensadores

http://www.abb.com/

http://www.elna.com/

Principais características:

• Densidade de potência elevada

• Reduzida resistência série

• Ciclos de carga/descarga ilimitados

• Baixa tensão nominal

• A energia utilizável é 75%

do total armazenado

• Integração com fontes de energia principais

• Fornecimento de picos de potência pedidos

pela carga Fonte

: w

ww

.eln

a.c

om

.

Supercondensadores

http://www.elna.com/

Supercondensadores

Máquinas eléctricas

Fontes: AC. Energia/IST; A. Roque.

Kart eléctrico

Sistema central

Pontos de carregamento

1.Carregament

o 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

Modos de carregamento

Carregamento Modo 1: Fixo,

tomada/ficha não dedicada

Fonte

: w

ww

.volv

o.c

om

; C

. C

asim

iro.

http://www.volvo.com/

Carregamento Modo 2: Tomada/ficha não

dedicada com dispositivo de proteção

incorporado no cabo

Fonte

: w

ww

.nis

san.c

om

; C

. C

asim

iro.

http://www.nissan.com/

Carregamento Modo 3: Fixo, tomada/ficha

dedicada com dispositivo de protecção

incorporado no cabo

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)

Carregamento Modo 4: Modo de

carregamento externo em CC

Fonte

: w

ww

.nis

san.c

om

; C

. C

asim

iro.

http://www.nissan.com/

Electrónica de potência

• A electrónica de potência é um dos

aspectos importantes tanto no conceito de

rede inteligente como nos veículos

eléctricos.

• Conversores electrónicos de potência: são

constituídos por dispositivos

semicondutores de potência que

transformam ou regulam a energia eléctrica

entre dois circuitos.

• Conversor AC/DC

- usado no carregamento de baterias, por

exemplo.

• Conversor DC/DC

- usado para alimentar motores de corrente

contínua, por exemplo.

• Conversor AC/DC/AC

- usado na alimentação de motores de corrente

alternada (síncronos e assíncronos), por exemplo.

Electrónica de potência –

tipos de conversores

Electrónica de potência

• Desenvolvimentos futuros na electrónica de potência:

- integração de sistemas de energia renovável nas

redes eléctricas

- electrificação dos sistemas de transporte

- casas inteligentes

- conversão electrónica de energia “adiabática”

- soluções para conversores “monolíticas”

- sistemas multi-nível para potências elevadas

- eficiência energética/poupança de energia

- redes em corrente contínua

- aplicações de grande largura de banda

Conclusões

• 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.

• 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.

• Os sistemas electrónicos de potência são transversais às

mais variadas aplicações. A sua evolução terá impacto nas

redes inteligentes e nos veículos eléctricos.

Questão

• Qual é o significado da designação “rede

inteligente”?

• Os “veículos eléctricos” são frequentemente

referidos como elementos das “redes inteligentes”.

Quais são as características/funcionalidades dos

veículos eléctricos que podem influenciar e

interferir com o funcionamento de uma “rede

inteligente”?

sistemas de energia e redes eléctricas do futuro · redes eléctricas - electrificação dos...

Documents