As Redes Inteligentes Moldam o Futuro

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A rede elétrica evoluiu para melhor corresponder à oferta e à demanda, melhorar a estabilidade e a confiabilidade e dar suporte à transição para uma energia mais limpa e sustentável. Hoje, as redes inteligentes aproveitam o monitoramento e a automação em tempo real para melhorar a eficiência e direcionar melhor o fluxo de energia.

Comparada a uma rede elétrica tradicional, uma rede inteligente incorpora vários novos componentes:

•    Recursos de energia distribuída (DER): com o aumento da energia renovável, os operadores de rede estão procurando maneiras de equilibrar a geração e a demanda em nível local. Sistemas de pequena escala que geram ou armazenam energia surgiram como uma solução, mas gerenciar esses sistemas de forma eficaz requer a criação de microrredes.[1]

•   Infraestrutura de medição avançada (AMI): comunicações bidirecionais em tempo real permitem um controle mais preciso sobre os fluxos de energia. A visibilidade de toda a rede sobre a utilização de energia permite uma previsão de demanda mais precisa e ajustes automáticos na distribuição de energia em resposta a mudanças na demanda.[2] 

•   Tecnologia de veículo para rede (V2G): O impacto dos veículos elétricos (VEs) nas redes de energia tem sido um grande ponto de preocupação. A tecnologia V2G ajuda a mitigar esse impacto permitindo que os VEs forneçam energia não utilizada de suas baterias para a rede.[3] Os motoristas também podem garantir que seus veículos carreguem apenas durante alta geração e baixa demanda, ou podem programá-los para iniciar um ciclo de carga pouco antes do uso.

Essas inovações são apenas o começo. Tecnologias emergentes, como inteligência artificial e conectividade 5G, expandem ainda mais as capacidades e o potencial da rede inteligente. Este artigo examinará algumas dessas tecnologias e seu impacto juntamente com as tendências que atualmente moldam o setor de energia.

A Internet da Energia

À medida que a rede inteligente continua a evoluir, as operadoras estão adotando cada vez mais tecnologias de Internet das Coisas (IoT), como sensores conectados e medidores inteligentes. Conhecida como Internet da Energia (IoE),[4] essa rede de dispositivos interconectados requer conectividade de alta largura de banda em grande escala. Isso se deve à expansão geográfica da rede e ao volume esmagador de dados gerados por seus sensores.

Assim como a tecnologia 5G habilitou casos de uso avançados de IoT e edge, ela é a chave para habilitar a IoE.[5] O padrão 5G foi projetado do zero para dar suporte à IoT, oferecendo velocidade, confiabilidade e segurança excepcionais, seja em ambientes urbanos congestionados ou em locais remotos.[6] A infraestrutura conectada que o 5G torna possível representa um passo considerável para o gerenciamento da rede, dando suporte à automação quase em tempo real.[7] 

Mas a conectividade é apenas parte do quebra-cabeça. Uma rede inteligente é um sistema extremamente complexo que produz grandes quantidades de dados que exigem análise profunda e respostas rápidas.[8] Para atingir essas metas, as operadoras estão explorando novas maneiras de alimentar a rede com IA.

Tornando as Redes Inteligentes Ainda Mais Inteligentes

A IA oferece imenso potencial para revolucionar as operações de redes inteligentes. De acordo com um artigo publicado pela SAP Insights, a tecnologia é fundamental para integrar a tecnologia de energia renovável, estabilizar a rede e reduzir a instabilidade da infraestrutura.[9]  A adaptabilidade de autoaprendizagem da IA --é particularmente valiosa para dar suporte à energia renovável e equilibrar a geração de energia durante picos e vales na demanda.

Outros possíveis benefícios da integração de IA e aprendizado de máquina em operações de rede inteligente incluem:

geração de energia mais eficiente, previsão mais precisa e melhor gerenciamento de energia por meio de análise preditiva;
• tomada de decisão rápida e baseada em dados;
• uso de energia otimizado e personalizado e cobrança para dispositivos, terminais e veículos elétricos;
• alertas de interrupção mais oportunos e sofisticados, juntamente com comutação automatizada para lidar com desequilíbrios na rede;
• manutenção e gerenciamento proativos da infraestrutura;
• visibilidade e transparência aprimoradas para todas as operações da rede; e
• detecção e remediação de ameaças inteligentes.

As redes inteligentes baseadas em IA também oferecem aos consumidores uma série de benefícios, incluindo custos de energia reduzidos, orientação sobre sustentabilidade, melhor transparência de preços e interrupções menos frequentes. A IA e o aprendizado de máquina também podem dar suporte a tecnologias emergentes, como microrredes.

Ilhas de Energia Interconectadas: Microrredes

Imagine um bairro onde cada casa tem um telhado revestido com painéis solares (Figura 1). Embora o bairro esteja conectado à rede elétrica principal da cidade, cada casa também pode gerar energia suficiente para atender às suas necessidades diárias.

Figura 1: Um quarteirão cheio de casas alimentadas por energia solar. (Fonte: slavun/stock.adobe.com)

Este bairro de exemplo é uma microrrede — uma rede localizada e autossuficiente que consiste em múltiplas cargas conectadas e DERs[10] Outros exemplos incluem hospitais, campi universitários e edifícios comerciais. Uma microrrede pode operar de forma independente ou ser gerenciada por uma empresa de serviços públicos.

As microrredes são geralmente definidas por três características principais:
•    Podem gerar e distribuir energia localmente
•    Podem se desconectar da rede central para operar de forma independente (um processo conhecido como ilhamento)
•    São gerenciadas por um controlador de microrrede que pode monitorar e ajustar dinamicamente os preços de energia e a geração de energia [11]

As microrredes têm se tornado cada vez mais importantes para aumentar a resiliência da rede, especialmente em áreas propensas a desastres naturais ou em locais remotos. Elas podem integrar várias fontes de energia, incluindo renováveis --e geradores convencionais, e são controladas por tecnologias inteligentes para garantir gerenciamento e distribuição eficientes de energia.

Uma das fraquezas mais significativas de uma rede de distribuição tradicional é sua falta de redundância. Se uma estação de energia ficar offline ou a rede ficar sobrecarregada devido à alta demanda, regiões inteiras podem ficar sem energia. As microrredes atenuam esse problema, pois uma área que perde o acesso à rede principal simplesmente troca para a microrrede até que a energia seja restaurada. As microrredes também representam um passo importante na transição para a geração de energia sustentável, reduzindo a carga de energia na rede principal.

Um Impulso Global para Energia Sustentável

Desde que a União Europeia anunciou seus planos de ser neutra em termos de clima até 2050,[12] governos ao redor do mundo têm investido em suas próprias iniciativas de sustentabilidade. Embora os detalhes sejam diferentes, o foco principal de quase todas as iniciativas envolve uma rede elétrica atualizada e uma transição para energia renovável:

•   A Tailândia pretende gerar um terço de sua energia a partir de fontes renováveis --até 2037 e enfrenta um crescente mercado de veículos elétricos que exige uma ampla modernização da rede elétrica do país.[13]
• A Suécia pretende estar completamente livre de combustíveis fósseis até 2040, alavancando uma combinação de vento, bioenergia, energia solar e calor corporal. O país atingiu o marco de 50 por cento em 2012, oito anos antes do previsto.[14]
• O governo colombiano planeja que cerca de 75 por cento das famílias sejam equipadas com medidores inteligentes até 2030.[15]
• O Japão se comprometeu a ser neutro em carbono até 2050 e, consequentemente, se comprometeu com um fundo de descarbonização de US$ 155 bilhões.[16]  

As tecnologias de rede inteligente serão fundamentais na transição para fontes de energia sustentáveis, como energia solar, eólica e hidrelétrica. Além de regular de forma inteligente as flutuações na demanda, as redes inteligentes darão suporte à manutenção preditiva e proativa e permitirão melhor gerenciamento e visibilidade do sistema. Talvez a tecnologia de suporte mais crítica seja o armazenamento de energia.

Preenchendo a Lacuna Entre Oferta e Demanda

Exceto pela energia nuclear e hidrelétrica, as soluções de energia sustentável sofrem de uma grande fraqueza: elas podem gerar energia apenas em janelas de tempo limitadas, sem meios de expansão durante períodos de alta demanda. Enquanto uma usina de gás natural pode criar mais energia queimando mais recursos, não se pode exatamente fazer o sol queimar mais forte ou aumentar a força do vento. Portanto, soluções sustentáveis --não podem ser escalonadas sem sistemas de armazenamento de energia.

Felizmente, várias soluções promissoras estão no horizonte. O mais notável é a evolução das baterias de estado sólido, que prometem densidades de energia em nível de célula de até 500 watts-hora por quilograma.[17] As redes inteligentes também desempenharão um papel essencial ao identificar dinamicamente quando armazenar e liberar o excesso de energia, aumentando a flexibilidade e a confiabilidade da rede.

Impulsionando o Transporte mais Inteligente

Além das iniciativas de modernização da rede, a transição para VEs tem o potencial de reduzir massivamente as emissões. A maioria das nações comprometidas com a neutralidade climática também se comprometeram a substituir veículos de combustão por carros elétricos nas próximas décadas. Junto com a tecnologia V2G, a rede inteligente será fundamental nessa transição por vários motivos.

Primeiro, ajudará a mitigar a carga de carregamento de VE por meio de programação inteligente. Isso pode significar iniciar ciclos de carga apenas durante períodos de alta geração de energia ou baixa demanda. Também pode implicar o ajuste dos ciclos de carga com base nas necessidades do motorista. Por exemplo, se um motorista sai regularmente de casa para o trabalho às 8h, o veículo pode programar um ciclo de carga lento para garantir que o carro esteja pronto para dirigir no horário, minimizando também o impacto na rede.

As redes inteligentes também podem rastrear a redução de emissões em VEs para créditos de gases de efeito estufa. Embora o impacto dessa inovação possa ser mínimo no nível do consumidor, isso pode resultar em economias de custos significativas para empresas que operam frotas de transporte terrestre consideráveis.

Finalmente, a rede inteligente pode atuar como uma ponte entre veículos elétricos e cidades inteligentes. Embora inicialmente facilite a comunicação e a coordenação para tarefas como monitoramento e controle de tráfego, a infraestrutura de energia inteligente pode eventualmente ajudar a permitir a direção totalmente autônoma.[18]

Apoiando a Segurança Cibernética Inteligente

À medida que as redes de energia se tornam mais interconectadas e dependentes de tecnologias digitais, elas também se tornam mais e de um alvo para agentes de ameaças. Garantir a segurança e a resiliência da infraestrutura crítica diante de ameaças cibernéticas cada vez mais sofisticadas é essencial.

Para combater essas ameaças, as operadoras estão usando criptografia para proteger a transmissão de dados pela rede. Protocolos de comunicação seguros também são vitais, garantindo que a comunicação entre diferentes partes da rede seja conduzida com segurança, minimizando assim o risco de interceptações e adulterações.

Recursos de resiliência também são necessários para sustentar as operações da rede em condições adversas e facilitar a recuperação rápida. As principais técnicas incluem caminhos redundantes para fluxo de energia e sistemas de controle robustos capazes de isolar e abordar pontos de falha sem desligar toda a rede.

Alimentando um Futuro Mais Inteligente

O mundo percorreu um longo caminho desde que a primeira rede elétrica foi colocada online. As redes elétricas modernas enfrentam uma série de demandas e armadilhas que seriam inconcebíveis todos aqueles anos atrás. Felizmente, as redes inteligentes evoluíram para atender e superar esses desafios.

De 5G e IA a EVs e microrredes, estamos lenta, mas seguramente, revolucionando a forma como produzimos, armazenamos e até mesmo usamos eletricidade. E há todas as indicações de que o que vimos até agora é apenas o começo.

[1] https://www.next-kraftwerke.com/knowledge/derms