Como as microrredes e os DERs podem maximizar a sustentabilidade e a resiliência em instalações industriais e comerciais

Os recursos de energia distribuída (DERs), como energia solar, energia eólica, calor e energia combinados (CHP), sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) e até mesmo geradores convencionais, podem contribuir significativamente para melhorar a sustentabilidade e a resiliência em instalações comerciais e industriais, especialmente quando combinados em uma microrrede usando um sistema de controle automatizado para coordenar e gerenciar de forma inteligente a geração, o fluxo, o armazenamento e o consumo de energia.

Para maximizar os benefícios ambientais e econômicos da microrrede, o controlador deve equilibrar a operação e a integração dos DERs em tempo real, gerenciar cargas inteligentes como iluminação, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), carregamento de veículos elétricos (EV) e instalações de tecnologia da informação, usar informações históricas de demanda para projetar perfis de carga futuros, fornecer conexões seguras e eficientes com a rede da concessionária e dar suporte às funções de resposta à demanda com dados de preços de energia em tempo real.

Este artigo analisa os elementos que compõem uma microrrede, examina as arquiteturas de microrrede, apresenta uma visão geral do IEEE 1547, que estabelece requisitos para a interconexão de DERs, e do IEEE 2030, que fornece um processo técnico abrangente para descrever as funções de um controlador de microrrede, depois considera como os controladores de microrrede podem aumentar a sustentabilidade, a resiliência e os benefícios econômicos, e encerra com uma breve visão geral das preocupações com a segurança cibernética para microrredes.

O que é necessário para criar uma microrrede?

As microrredes são diversas em suas implementações e componentes. Para discutir como as microrredes e os DERs podem maximizar a sustentabilidade e a resiliência, é melhor começar com uma definição e alguns exemplos de componentes e arquiteturas de microrredes. O Departamento de Energia dos EUA (DOE) define uma microrrede como "um grupo de cargas interconectadas e recursos de energia distribuída dentro de limites elétricos claramente definidos que atua como uma única entidade controlável em relação à rede. Uma microrrede pode se conectar e se desconectar da rede para permitir que ela opere no modo conectado à rede e no modo ilha."

Embora a definição de microrrede seja simples, há uma série de categorias de microrredes, modos de operação e possíveis subsistemas a serem escolhidos ao construir uma microrrede, e a obtenção da máxima sustentabilidade e resiliência de uma microrrede envolve inúmeras escolhas arquitetônicas e operacionais. A automação é uma consideração importante. Exemplos de subsistemas automatizados incluem (Figura 1):

• Geração dentro da microrrede, incluindo uma gama diversificada de DERs e CHP
• Redes de distribuição de energia
• BESS
• Cargas como sistemas HVAC e máquinas e motores em instalações industriais
• Gerenciar o carregamento de veículos elétricos e conexões de veículo para rede (V2G)
• Controladores de microrrede e dispositivo de manobra
• Interconexões com a rede elétrica para instalações conectadas à rede

Figura 1: As microrredes podem incluir vários DERs, CHP e cargas. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Categorias de microrredes

As microrredes podem ser classificadas de acordo com o fato de estarem fora da rede ou conectadas à rede:

A categoria mais comum é a de instalações fora da rede. Os casos de uso incluem áreas remotas não atendidas pela rede de serviços públicos comerciais, como minas, instalações industriais, casas nas montanhas e bases militares.

Os sistemas comunitários fora da rede também são encontrados em locais remotos. Os casos de uso incluem vilarejos, ilhas e comunidades remotas. Enquanto as microrredes de instalações são controladas por uma única entidade, as microrredes comunitárias devem atender às necessidades de um grupo de usuários. Elas podem exigir sistemas de comando e controle mais complexos.

As instalações conectadas à rede têm um único proprietário e são usadas para melhorar a confiabilidade em áreas em que a rede principal não é confiável e a energia é necessária, ou nos casos em que há incentivos econômicos para cargas cortáveis e outros serviços do proprietário da microrrede. Os casos de uso podem incluir hospitais, data centers, fábricas de processo contínuo e outros edifícios de alta disponibilidade.

As comunidades conectadas à rede têm vários usuários e produtores de energia conectados à rede principal e gerenciados como uma única entidade. Os casos de uso incluem campi de empresas ou universidades, vilarejos e pequenas cidades. Elas podem ter uma diversidade de usuários, produtores e instalações de armazenamento de energia e podem ser as mais complexas de controlar.

Às vezes, as microrredes são ilhas

Além de discutir os componentes de uma microrrede, a definição do DOE refere-se à operação da microrrede "tanto no modo conectado à rede quanto no modo ilha". As definições desses modos são simples, mas a implementação é mais complexa e é abordada em alguns padrões do IEEE.

O IEEE 1547-2018, Padrão para Interconexão de Recursos Distribuídos com Sistemas de Energia Elétrica, detalha os requisitos técnicos para a interconexão e interoperabilidade de DERs com a rede elétrica. O IEEE 1547 é um padrão em evolução. As versões anteriores do IEEE 1547 foram projetadas para níveis baixos de penetração de DER e não consideravam o possível impacto regional agregado dos DERs no sistema de energia em massa. O IEEE 1547-2018 adicionou requisitos mais rigorosos em relação à regulação de tensão e frequência e à capacidade de suportar variações momentâneas para ajudar na confiabilidade do sistema de transmissão. Mais recentemente, a emenda 1547a-2020 foi adicionada para acomodar o desempenho operacional anormal.

O IEEE 2030.74 descreve as funções de um controlador de microrrede em termos de dois modos de operação de estado estacionário (SS) e quatro tipos de transições (T) (Figura 2):

• SS1, modo conectado à rede em estado estacionário, tem a microrrede conectada à rede da concessionária. O controlador pode usar os componentes da microrrede para fornecer serviços como redução de pico, regulagem de frequência, suporte de potência reativa e gerenciamento de rampa para a rede.
• SS2, ilha estável ou modo de "ilhamento", é quando a microrrede é desconectada da rede da concessionária e está operando de forma isolada. O controlador é necessário para equilibrar as cargas e a geração da microrrede e os serviços de armazenamento de energia para manter a operação estável da microrrede.
• T1, refere-se a uma transição planejada do modo conectado à rede para o modo de ilha em estado estacionário. Mesmo quando a rede da concessionária está disponível, pode haver incentivos econômicos ou operacionais para mudar para o modo de ilha. Além disso, esse modo pode dar suporte ao teste da operação da microrrede.
• T2, é uma transição não planejada do modo conectado à rede para o modo de ilha de estado estacionário. Isso é análogo à operação de uma fonte de alimentação ininterrupta em um data center e é frequentemente usado quando a rede principal falha. A microrrede se desconecta sem problemas e opera como uma rede de energia independente.
• T3, refere-se à reconexão da ilha em estado estacionário à rede elétrica pública. Esse é um procedimento técnico complexo com um gerador de "formação de rede" na microrrede que detecta a frequência e o ângulo de fase da energia da rede e faz a correspondência exata entre a microrrede e a rede principal antes de reconectar.
• T4, é uma partida do zero em modo de ilha no estado estacionário. Nesse caso, a microrrede caiu e precisa ser isolada da rede elétrica e reiniciada no modo ilha. Essa situação pode ocorrer devido a uma interrupção inesperada com a qual o controlador da microrrede não consegue lidar usando uma transição estável T2, ou pode ser necessária se a ilha não tiver geração suficiente ou reserva de armazenamento de energia para continuar a suprir todas as cargas e precisar desligar todas as cargas não essenciais antes de colocar o gerador na linha. Além disso, qualquer BESS na microrrede deve ser pelo menos parcialmente recarregado antes de ser reconectado.

Figura 2: O IEEE 2030.74 exige que os controladores de microrredes acomodem duas condições de estado estacionário e quatro tipos de transições entre esses estados. (Fonte da imagem: National Rural Electric Cooperative Association)

Implementação de microrredes

Há quase tantas combinações de DERs e cargas quanto as microrredes, mas os controladores automatizados e o dispositivo de manobra são elementos comuns. Em grandes microrredes, como a ilustrada na Figura 1 acima, elas costumam ser separadas em uma sala de controle centralizada, um dispositivo de manobra distribuído para DERs e cargas e, para projetos conectados à rede, uma subestação que serve como dispositivo de manobra entre a microrrede e a rede elétrica.

Os controladores de microrredes precisam de informações e, para maximizar a resiliência e a sustentabilidade, precisam ser rápidos. Os controladores usam uma rede de sensores para monitorar o funcionamento dos DERs e das cargas em tempo real. Para microrredes conectadas à rede, o controlador também monitora o status da rede elétrica local. Caso ocorra alguma anomalia, o controlador responde em milissegundos e envia um comando para o DER, a carga ou o dispositivo de manobra associado.

O porte dos dispositivos de manobra variam de alguns kW a vários MW e precisam responder às demandas do controlador em poucos milissegundos ou correm o risco de sofrer uma condição de falha grave. Alguns dispositivos de manobra possuem disjuntores inteligentes que operam de forma autônoma para fornecer uma camada adicional de proteção.

Para instalações menores, o controlador e o dispositivo de manobra podem ser combinados em um único equipamento, às vezes chamado de centro de controle de energia (ECC). Os ECCs estão disponíveis pré-cabeados, montados e testados na fábrica. Os ECCs simplificam e aceleram a instalação de microrredes e podem gerenciar várias fontes de energia, incluindo energia da rede e DERs com cargas priorizadas. Por exemplo, a Schneider Electric oferece a linha ECC 1600 / 2500 para microrredes em escala de construção civil (Figura 3). Alguns recursos da linha ECC 1600 / 2500 incluem:

• Configurável sob encomenda com potências nominais de 100 a 750 kW e pode ser otimizado para edifícios novos ou existentes
• Funciona com vários DERs, como geradores fotovoltaicos, BESS, eólicos, a gás e a diesel
• O controlador permite a resiliência durante interrupções, incluindo o uso de energia fotovoltaica com um recurso de ancoragem, como um gerador reserva ou BESS
• A medição inteligente automatizada fornece informações sobre a qualidade da energia, o uso de energia e a produção do DER
• Dispositivo de manobra com um barramento de distribuição de energia de 1.600 a 2.500 A
• Análise baseada em nuvem para maximizar a resiliência e o retorno do investimento dos DERs

Figura 3: Os ECCs combinam o controlador da microrrede (esquerda) e o dispositivo de manobra (direita) em um único equipamento. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Energia segura e protegida

A segurança cibernética é um aspecto importante da segurança e da resiliência energética. A Agência Internacional de Energia (IEA) define segurança energética como "a disponibilidade ininterrupta de fontes de energia a um preço acessível". As microrredes podem contribuir significativamente para garantir o fornecimento de energia de baixo custo, segura e resiliente.

A comunicação é um elemento essencial das microrredes. Isso significa comunicação com a nuvem e, possivelmente, com a rede elétrica local, para otimizar o desempenho. Além disso, os vários DERs e cargas que compõem uma microrrede típica vêm de diferentes fabricantes e empregam protocolos e tecnologias de comunicação heterogêneos. A conectividade com a Internet e as tecnologias sem fio, como Wi-Fi, são encontradas em quase todas as microrredes e podem ser essenciais para obter o máximo de benefícios. Também oferecem suporte a funções auxiliares, como a coleta de previsões meteorológicas e preços de combustível e energia em tempo real.

Garantir a segurança cibernética é complexo. Além do hardware seguro, são necessárias políticas, procedimentos e pessoas para lidar com as vulnerabilidades cibernéticas que podem permitir que os invasores acessem redes e dados confidenciais e até mesmo manipulem o software de controle, resultando em uma operação prejudicada da microrrede. Os terroristas são apenas uma preocupação; há também concorrentes ou funcionários inescrupulosos a serem considerados. Podem ocorrer erros do operador, as redes podem ter brechas desconhecidas devido a softwares desatualizados, e assim por diante (Figura 4). A segurança cibernética não pode ser uma reflexão tardia. Para ser eficaz, ela deve ser projetada em todos os aspectos do hardware, software e processos da microrrede desde o início.

Figura 4: Vulnerabilidades de pessoas, processos e falhas na segurança física podem representar vetores de ataque à microrrede. (Fonte da imagem: Schneider Electric)

Resumo

As microrredes integram vários DERs e cargas em um único sistema para maximizar a sustentabilidade e a resiliência energética. Várias arquiteturas de microrredes podem ser usadas para atender a necessidades específicas de energia e conectividade. O número cada vez maior de microrredes e a crescente penetração de DERs resultaram em uma evolução no padrão de interconexão IEEE 1547 e estão impulsionando um foco maior na segurança cibernética de microrredes.