Rede elétrica inteligente

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Mudança na estrutura da rede como parte da transição de energia (esquema - a partir de 2019)

O termo smart power grid ( smart grid em inglês ) descreve a estratégia de focar em TI e inovações de tecnologia de controle em controle de rede ( inteligência de rede) com a qual a utilização da infraestrutura existente pode ser melhorada. O objetivo é manter a expansão da infraestrutura física, que consome tempo e capital intensivo (linhas aéreas, subterrâneas, transformadores), o mais baixo possível ou evitá-la.

À medida que a participação das energias renováveis nas redes elétricas aumenta, também aumentam as demandas nas redes de baixa tensão, em particular. As redes de baixa tensão já não assumem apenas a função de receber e distribuir eletricidade das redes de distribuição, mas cada vez mais também reenviar eletricidade descentralizada para as redes de distribuição.

Redes inteligentes, d. H. As inovações em controle de rede, tecnologia de controle moderna e tecnologia de controle moderna têm o objetivo de resolver esses desafios adicionais, se possível, sem grande expansão da capacidade física da rede.

Nas palavras da Federal Network Agency:

“Enquanto as redes de alta tensão já são amplamente controladas de forma inteligente e a construção de novas linhas está na ordem do dia, uma melhoria na infraestrutura de rede e opções de controle também é necessária nas redes de distribuição. a mão com investimentos em "inteligência". "

Status de inteligência de rede 2021

As redes existentes não consistem apenas em cabos, mas sempre foram controladas com a mais recente tecnologia de comunicação, a chamada tecnologia de controle de rede ( SCADA em geral ). No julgamento da Agência Federal de Redes , a tecnologia de controle das redes de alta tensão já está em um patamar elevado, as salas de controle das operadoras do sistema de transmissão dão uma impressão disso. Por outro lado, ainda há algum processo de atualização a ser feito com as redes de baixa e média tensão.

Os itens a seguir são de importância histórica para a transmissão de dados e controle de redes de energia:

Essas técnicas de transmissão de dados históricos e controle remoto foram amplamente substituídas por técnicas de comunicação baseadas em redes de rádio por cabo ou celular. As luzes da rua, por exemplo, agora são normalmente ligadas e desligadas individualmente com interruptores crepusculares.

O objetivo desta transmissão de dados e sinais e da tecnologia de controle auxiliada por computador associada era e é, entre outras coisas, otimizar os fluxos de rede desconectando e conectando malhas de rede de forma que não ocorram sobrecargas e de forma que possível reagir automática e imediatamente a perturbações. As capacidades existentes da rede física devem ser usadas da melhor forma possível com base em um cálculo de fluxo de carga . As tecnologias de controle também servem para fins de segurança física, por exemplo, linhas aéreas que se quebraram devido a tempestades ou acidentes desligam-se imediatamente de forma automática.

Um desenvolvimento mais recente está na área de alta tensão, para. B. monitoramento de linhas aéreas , com o qual a capacidade externa dependente da temperatura das linhas aéreas pode ser melhor utilizada por dados de temperatura local transmitidos em tempo real. O uso de transformadores variáveis na faixa de média e baixa tensão leva a uma melhor utilização das capacidades de rede existentes. No médio prazo, os medidores inteligentes fornecem dados de consumo em qualquer local ou outra diferenciação, que podem ser usados ​​para desenvolver melhores tarifas e melhores perfis de carga e também para um controle mais preciso da rede.

Agora-Energiewende também recomenda as seguintes medidas ad hoc para aliviar as redes de transmissão:

  • Cabos para cabos de alta temperatura (linhas aéreas são equipadas com cabos com resistência a altas temperaturas)
  • Alocação para linhas aéreas existentes
  • Regulador cruzado para controle de fluxo de carga

Novas demandas de inteligência de rede

Embora as redes de energia com geração centralizada tenham dominado até agora, a tendência é para sistemas de geração descentralizados, tanto na geração de energia primária fóssil por meio de pequenos sistemas CHP, quanto na geração de fontes renováveis como sistemas fotovoltaicos , usinas solares térmicas, turbinas eólicas e sistemas de biogás . Isso leva a uma estrutura muito mais complexa, principalmente na área de controle de carga , manutenção da tensão na rede de distribuição e manutenção da estabilidade da rede . Em contraste com usinas de médio a grande porte, usinas de geração menores e descentralizadas também alimentam diretamente os níveis de tensão mais baixos, como a rede de baixa tensão ou a rede de média tensão . Ao mesmo tempo, as proporções crescentes de energias renováveis, especialmente energia eólica e fotovoltaica, estão aumentando a volatilidade das quantidades de alimentação. Isso requer um controle de rede mais rápido e eficiente.

Em geral, as redes, incluindo as redes de fornecimento de energia elétrica, são projetadas para a carga máxima possível. A redução da carga máxima e o deslocamento do tempo da energia a ser transmitida em tempos de menor carga possibilitam projetar a infraestrutura de rede necessária menor e, assim, gerar vantagens de custo para a operadora. A quantidade total de energia transferida permanece praticamente a mesma, apenas a utilização das redes é otimizada. Por exemplo, em 2009, as redes de energia na Suíça foram usadas apenas a uma taxa média anual de 30 a 40%. Vantagens de custo e segurança de abastecimento são, portanto, incentivos para que os operadores de rede evitem picos de carga caros e, no caso teórico ideal, tenham apenas um compartilhamento de carga que seja o mais constante possível ao longo do tempo, que está acima do chamado compartilhamento de carga base . Este nivelamento da carga pode ocorrer por meio de redes inteligentes através de controles automáticos e sistemas de controle de consumo como parte de um controle de carga .

Uma propriedade dessas redes é a capacidade de coletar informações de status e dados de fluxo de carga dos elementos individuais da rede, como B. usinas de geração, consumidores (residências ou industriais) ou estações transformadoras podem ser acionadas e processadas em tempo real. Além de sistemas de produção e grandes consumidores, uma rede elétrica inteligente também inclui consumidores de médio porte, como bombas de calor, tanques de armazenamento de água quente, freezers, baterias de automóveis, etc. no gerenciamento de rede. Para criar incentivos de preços eficazes neste nível de pequena escala, também é necessário um mercado inteligente.

O design inteligente de mercado e rede permite que os consumidores economizem ao controlar seu comportamento de consumo . Isso requer tarifas dinâmicas (mercado inteligente) e comunicação em tempo real dos dados de consumo para a rede (rede inteligente).

Rede inteligente ou mercado inteligente

Para que a rede elétrica permaneça estável e a energia não falhe, a geração e o consumo de energia devem estar precisamente em equilíbrio o tempo todo. Isso é conseguido principalmente por meio do mercado . A utilização das usinas e das instalações de armazenamento é otimizada no longo prazo e no curto prazo no interesse dos proprietários para que a usina atinja o melhor resultado possível no mercado. Isso significa que as usinas sempre planejam seu uso e vendem sua geração de energia elétrica a qualquer momento, o que pode atender a demanda prevista nas melhores condições para aquele momento.

Apenas o controle dos desvios não planejados de muito curto prazo ou instantâneos, entre a geração e o consumo, permanece a cargo do operador da rede de transporte . Ainda é função do operador de rede levar a eletricidade para onde ela é necessária. Uma vez que a eletricidade está cada vez mais sendo alimentada por turbinas eólicas no norte e consumida em centros no sul da Alemanha, isso também está se tornando um desafio crescente. Existem dois instrumentos à disposição do operador de rede para este efeito:

  • o mercado de controle (um mercado para geração e compra instantânea de eletricidade)
  • o redespacho (a intervenção obrigatória na operação da usina contra taxas de compensação regulamentadas)

Ambos os mecanismos requerem originalmente grandes atores do lado da geração e da demanda que tenham acesso à bolsa de valores e que convertam quantidades tão grandes do lado da oferta ou da demanda e tenham uma flexibilidade tão grande que mudanças nos perfis de alimentação ou de carga levam a resultados significativos para os atores.

No entanto, a tarefa de um mercado inteligente e de uma rede inteligente é integrar a flexibilidade de pequenos consumidores e pequenos produtores ao sistema. Isso inclui sistemas de armazenamento de bateria descentralizados, incluindo acumuladores de veículos ( carregamento inteligente ), turbinas eólicas individuais, pequenos sistemas CHP, sistemas solares e, no final da cadeia, clientes domésticos.

Do lado do mercado, as flexibilidades dessas pequenas unidades estão cada vez mais agrupadas nas chamadas usinas virtuais (mercado inteligente). Do lado da rede, é obrigatório equipar os sistemas fotovoltaicos e eólicos com um telecomando para permitir a intervenção do operador da rede (rede inteligente).

Uma mudança importante no nível do usuário final é a instalação de medidores inteligentes (também conhecidos como medidores inteligentes ). Suas principais tarefas são a leitura remota e a possibilidade de faturar preços variáveis ​​no tempo. A transferência de dados entre os componentes individuais ocorre via modem telefônico , conexões GSM , PLC ou ADSL e muito mais. Isso permite desenhar tarifas mais diferenciadas e, assim, melhores incentivos de preços para os clientes domésticos (mercado inteligente). No entanto, o consumidor só pode obter vantagens de preço sem sacrificar a conveniência se também tiver dispositivos que funcionem automaticamente, de preferência fora dos horários de pico . São processos não críticos em termos de tempo, como carregar veículos elétricos , operar bombas de calor , congelar , aquecer ( caldeiras elétricas) , lavar ou lavar pratos.

Isso já foi implementado há décadas com acumuladores noturnos e tarifas noturnas fixas, mas os sistemas modernos podem funcionar de forma mais flexível e inteligente, o que é particularmente importante para a inclusão das energias renováveis. Uma tecnologia que foi introduzida para isso é a tecnologia de controle de ondulação , que, no entanto, não permite o endereçamento individual devido à baixa largura de banda, mas endereça grupos de sistema.

Flexibilidade do lado da demanda

Uma vez que as redes de energia elétrica não podem armazenar energia e manter a estabilidade na rede elétrica, a demanda por energia elétrica deve ser sempre a mesma que o fornecimento de energia elétrica, ou o lado da oferta deve ser adaptado ao consumo demandado, como é amplamente feito em redes de energia clássicas por alteração da potência da usina, ou por uma adaptação por meio de deslocamentos de carga dos consumidores ao fornecimento atual das instalações de geração, à semelhança de como são implementadas com os chamados clientes de rejeição de carga em caso de gargalos de fornecimento desde o início do fornecimento de energia elétrica.

Mesmo que as mudanças temporais de carga de consumidores selecionados desencadeadas em redes elétricas inteligentes (gerenciamento do lado da demanda) na forma de controle de carga só sejam possíveis no intervalo de horas a alguns dias, elas são consideradas uma forma expedita de alterar a corrente demanda em sistemas de energia renovável por meio de mudanças controladas para se adaptar à oferta parcialmente não orientada para a demanda. A vantagem do ajuste de demanda está na alta eficiência energética , uma vez que, ao contrário das usinas de armazenamento , podem ser utilizadas com muito pouca ou nenhuma perda. Máquinas de aquecimento e resfriamento, como geladeiras, câmaras frigoríficas, sistemas de aquecimento de bomba de calor, etc. são particularmente adequadas, mas com restrições, processos industriais intensivos em energia, como produção de alumínio por eletrólise, produção de aço elétrico e operação de fábricas de cimento e ventilação sistemas para deslocamento de carga também são possíveis. Por exemplo, o tempo específico de ativação de um refrigerador inteligente com design correspondente pode ser alterado em um determinado intervalo de tempo para que corresponda mais de perto ao fornecimento de energia elétrica sem que o alimento resfriado seja excessivamente aquecido. Pode ser controlado indiretamente através do preço ou diretamente através do fornecimento de energia ou do operador da rede; empresas maiores também podem negociar diretamente no mercado de energia de equilíbrio.

Os data centers também oferecem um potencial considerável para deslocamento de carga . Como os data centers geralmente são usados ​​apenas parcialmente e algumas operações de computação não são críticas em relação ao tempo, o poder de computação pode ser alterado tanto espacial quanto temporalmente, se necessário. Desta forma, o consumo pode ser reduzido ou aumentado de forma direcionada, sem que isso tenha impacto nos serviços prestados. Como a infraestrutura já está instalada, isso seria possível com uma adaptação mínima da infraestrutura, e os data centers, como grandes consumidores de eletricidade, poderiam ser um fator importante na resposta à demanda. Um potencial adicional surge dos sistemas normalmente instalados para fornecimento de energia ininterrupta , como baterias e geradores de energia de emergência , que também podem ser usados ​​para fornecer energia de controle ou cobrir picos de carga. Desta forma, os custos do sistema podem ser minimizados. No geral, é possível que os data centers europeus tenham um potencial de deslocamento de carga de alguns GW para algumas dezenas de GW em 2030. Outros consumidores, em particular consumidores que precisam diretamente da energia adquirida, como a iluminação , não podem, em princípio, ser substituídos.

Em termos de efeitos, a mudança de carga atinge os mesmos efeitos que a utilização de centrais de armazenamento para regular a alimentação: O aumento de carga (ligar a carga em caso de excesso de eletricidade) corresponde à cobrança de um sistema de armazenamento, o posterior a redução da carga corresponde à descarga do tanque de armazenamento; portanto, o load shifter atua como "memória virtual". De acordo com a Associação Alemã de Tecnologias Elétricas, Eletrônicas e da Informação , metade do potencial de transferência de carga está nas empresas de uso intensivo de energia e a outra metade nas residências, comércio e comércio, bem como serviços. O gerenciamento de carga pode equilibrar a demanda e reduzir significativamente os custos de transição de energia.

Atividades atuais na Europa

São necessários os objetivos da UE em relação às redes inteligentes

subjacente.

Por exemplo, a empresa italiana de fornecimento de energia Enel instalou um sistema de leitura automatizada para medidores de eletricidade pela primeira vez como um passo em direção a redes de energia inteligentes no final da década de 1990 . Isso foi feito em particular para evitar as grandes perdas causadas pelo roubo de eletricidade , que foi interrompido pelos medidores modernos.

No projeto E2SG, Energy to Smart Grid, 31 parceiros de 9 países europeus têm trabalhado em tópicos centrais de redes de abastecimento inteligentes desde abril de 2012: métodos para comunicação segura na rede de abastecimento, tecnologias otimizadas para conversão eficiente de corrente / tensão e métodos aprimorados para determinar os requisitos e o controle da rede deve ajudar a integrar melhor as fontes de energia renováveis ​​e aumentar a eficiência energética. O E2SG é financiado pela empresa comum ENIAC e pelos estados nacionais dos parceiros do projeto.

Dentro do projeto Web2Energy, que é financiado pelo 7º Programa-Quadro (FP7) da Comissão Europeia, um sistema de comunicação não discriminatório para todos os parceiros de mercado envolvidos é instalado e testado dentro de uma rede elétrica inteligente no sul de Hesse usando o IEC mundialmente reconhecido padrões.

Atividades de smart grid na Alemanha

Por um motivo completamente diferente, a República Federal da Alemanha iniciou uma análise em seis regiões chamadas de modelo como parte do programa de financiamento E-Energy , financiado pelo Ministério Federal da Economia e Tecnologia e pelo Ministério Federal do Meio Ambiente, Conservação da Natureza e Segurança Nuclear , que investigou os efeitos de redes elétricas inteligentes e suas práticas. Implementação testada em redes reais de fornecimento de energia. De acordo com o resultado deste projeto, as redes inteligentes de energia são capazes de reduzir significativamente a expansão da rede no futuro . Um primeiro passo na implementação de redes inteligentes na República Federal da Alemanha é a introdução nacional de contadores inteligentes . No entanto, esse bloco de construção é, na verdade, um componente do mercado inteligente e permite a redução de carga orientada para a demanda .

Em janeiro de 2017, o Ministério Federal da Economia e Energia da Alemanha (BMWi) financiou o programa SINTEG - Smart Energy Showcase - Agenda Digital para a Transição de Energia . Com um volume de financiamento de 200 milhões de euros e um volume total de 500 milhões de euros, as cinco montras SINTEG formam C / sells ; Designetz; enera; NEW4.0 e WindNODE o maior programa de rede inteligente na Europa. O programa fornece explicitamente cinco regiões modelo que se estendem praticamente por toda a Alemanha (com algumas exceções). Nelas, não só são trabalhados os fundamentos teóricos, mas também realizados projetos de demonstração. Além disso, são pesquisadas as condições do arcabouço legal e os modelos de mercado. Os projetos são executados por consórcios de grande alcance com cerca de 60 associados, entre fornecedores de energia , indústria , instituições de investigação e atores da sociedade civil, também com capital próprio. O objetivo é avaliar e desenvolver tecnologias de smart grid até que estejam prontas para o mercado. Com o volume de financiamento, o grande número de stakeholders e a profundidade do desenvolvimento, o SINTEG é o programa de smart grid mais importante da Alemanha e o maior da Europa. Vários estados federais alemães iniciaram suas próprias atividades de redes inteligentes, por exemplo, Baden-Württemberg iniciou a Plataforma de Redes Inteligentes Baden-Württemberg eV para interligar os atores relevantes. Além disso, foi traçado um roteiro para o projeto de redes inteligentes de energia em Baden-Württemberg, que serve de modelo para os atores. A versão original deste roteiro de Smart Grids também incluiu o início do showcase C / sells do SINTEG. Após a conclusão do projeto, novas recomendações para uma revisão do Smart Grids Roadmap com base no conhecimento adquirido nos últimos anos serão desenvolvidas em Baden-Württemberg e a estratégia para a implementação de redes inteligentes de energia será adaptada.

Existem cada vez mais iniciativas de empresas fornecedoras de energia para promover redes inteligentes de energia. Em Garmisch-Partenkirchen, por exemplo, além da eletromobilidade, a rede elétrica inteligente também está sendo testada em um experimento modelo.

Redes inteligentes na Áustria

Uma iniciativa sobre redes elétricas inteligentes também está surgindo na Áustria. O Ministério Federal Austríaco para Transporte, Inovação e Tecnologia está financiando projetos de pesquisa e demonstração sobre o assunto no âmbito do programa Sistemas de Energia do Futuro e por meio do programa de pesquisa de energia do Fundo de Energia e Clima . Junto com operadoras de rede elétrica e empresas de tecnologia, várias regiões pioneiras estão surgindo. A Salzburg AG convocou, por exemplo, dois projetos para a vida. Por um lado, o projeto "ElectroDrive" e por outro lado o projeto "Smart Grids". Estes dois projetos foram adjudicados e financiados com 1,9 milhões e 1,7 milhões de euros do Fundo Austríaco para o Clima e a Energia. São quase inseparáveis, já que os veículos elétricos funcionam como armazenadores de energia. Existem atualmente 300 veículos elétricos em Salzburgo.

Redes inteligentes na Suíça

Na Suíça, a Enercontract AG está trabalhando com a Alpiq no projeto de energia inteligente e a Löpfe AG ​​na implementação concreta de uma rede elétrica inteligente. As primeiras instalações piloto foram realizadas em Jura Elektroapparate AG em Niederbuchsiten e na área de abastecimento da EWS Energie AG Aargau Süd.

Na Suíça, a medição da eletricidade é da responsabilidade da empresa de eletricidade local. Na Suíça, a medição da eletricidade é da responsabilidade da empresa de fornecimento de eletricidade local (EVU) como parte da conexão de rede não discriminatória. Não discriminatório significa que todos os clientes de eletricidade têm as mesmas condições ou Conexão de rede e cálculo de taxas recebidos. As informações de medição estão disponíveis para o fornecedor de energia, i. Em outras palavras, atualmente eles não podem ser disponibilizados gratuitamente, especialmente para um concorrente. Além disso, a proteção de dados deve ser levada em consideração para os dados de medição obtidos, pois esses dados pessoais podem ser usados ​​para. B. reconstruir a rotina diária individual de uma conexão de rede.

Problemas e desafios com redes elétricas inteligentes

Como foi demonstrado de forma impressionante pelo ataque de hackers à fonte de alimentação ucraniana em 2015 , as redes altamente automatizadas são particularmente suscetíveis a ataques de hackers.

Investimentos economicamente sensatos e inovadores podem não ser economicamente sensatos devido à organização reguladora do setor de energia. As tarifas de rede são regulamentadas e a operadora de rede só pode reivindicar investimentos "permitidos" nessa área. Por exemplo, os operadores de rede não têm permissão para construir, possuir ou integrar sistemas de armazenamento em suas redes para resolver problemas de rede.

Outro problema é que ainda não existem padrões universalmente reconhecidos para o que é medido e como os dados são transmitidos a um destino. Por esta razão, sistemas de medição proprietários são usados ​​atualmente em instalações de teste que não podem ser facilmente combinadas ou trocadas entre si. Após a introdução dos padrões, pode ser necessário alterar os sistemas, o que é demorado. Os protocolos padrão de ICT são usados no projeto de energia inteligente . Isso significa que qualquer sistema não proprietário pode ser combinado.

Uma abordagem popular para evitar padrões diferentes, devido ao uso de gateways diferentes, é a harmonização usando uma plataforma de gateway aberta OSGi .

Normas e padrões

Em nível internacional, modelos de dados e protocolos de comunicação da IEC 61850 estão sendo desenvolvidos. Concebido originalmente para automação em subestações, o campo de aplicação desta norma também se estende à geração descentralizada de energia em redes de distribuição.

Além da padronização relacionada à ICT, as propriedades eletrotécnicas de estabilização do sistema também são importantes para o comportamento inteligente de muitos sistemas menores na rede. H. a resposta às mudanças de tensão e frequência. Esses foram z. B. definido na Alemanha na diretiva de média tensão , agora substituído pela regra técnica de conexão para média tensão (VDE-AR-N 4110: 2018-11). A regra de aplicação FNN "Sistemas de geração na rede de baixa tensão" (VDE-AR-N 4105: 2018-11). existe desde agosto de 2011, entretanto em uma segunda versão revisada.

A nível europeu, devem ser mencionados DIN EN 50438 (requisitos para a ligação de pequenos geradores à rede pública de baixa tensão) e EN 50549: 2019 (requisitos para centrais geradoras destinadas ao funcionamento em paralelo com uma rede de distribuição).

Nos EUA, o IEEE 1547 (Padrão para Interconexão de Recursos Distribuídos com Sistemas Elétricos de Potência) é relevante.

Veja também

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Links da web

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