A Interação Entre Veículos Elétricos Plug-in, Geração Distribuída e Energia Renovável

Desde de, pelo menos o ano de 2010, porque o setor de transporte é um dos contribuintes de maior e de mais rápido crescimento da demanda de energia e, em virtude do efeito de iniciativas de empreendimentos pioneiros ao redor do mundo, que têm feito a integração de acionamento elétrico para veículos de passageiros aumentar dramaticamente, têm possibilitado vislumbrar cenários em que ocorra uma alta penetração do emprego de veículos elétricos Plug-in, lembrando que, os VEs denominados “Plug-in”, são todos aqueles que, sendo eles híbridos ou puramente elétricos, possuem um conector elétrico pelo qual eles são conectados à rede de energia elétrica para carregamento de suas baterias.

A consequente oferta de benefícios socioeconômicos e ambientais possibilitada pela substituição dos veículos de combustão interna convencional, e a poluição do ar urbano e emissão de gases de efeito estufa a eles associada, pelos VEs Plug-in, como o de reduzir a dependência do consumo de petróleo pelo setor de transportes, reduzir as emissões nocivas para o ambiente de CO₂, SO_x, NO_x e por maneiras de melhorar a eficiência de conversão entre formas de energia, todas as autoridades de transporte e de energia dos países mais desenvolvidos, como por exemplo Japão, EUA e boa parte da Europa, tem estado em contínua preocupação no que concerne a tais prováveis cenários.

Dadas tais referidas prestações, uma das maiores preocupações que os críticos alertaram é que os VEs Plug-in poderiam colocar demasiada pressão sobre as redes de energia elétrica já tensas. A preocupação é que os Plug-ins, tornando-se populares, podem não parecer ser uma boa maneira de se reduzir o consumo de gasolina, se milhões de proprietários de automóveis recarregarem seus carros às três da tarde em um dia quente, fazendo deixar de funcionar a rede elétrica. Especialmente a carga descontrolada poderia levar a problemas de rede em escala local.

Algumas questões centrais são:

A já existente infraestruturas de sistemas de potência elétrica e a engenharia de sistemas de potência estariam prontos para abastecimento elétrico das novas frotas de VEs Plug-in no futuro previsível?

Tal forma de abastecimento efetivamente estaria nos livrando daquilo que muitos desejam se livrar: da dependência de petróleo e outros combustíveis fósseis, mais corretamente, combustíveis minerais não renováveis (obviamente não renováveis no ritmo da necessidade de consumo pelo setor de transportes e mobilidade humana que ora se apresenta), ou mesmo dos chamados biocombustíveis, provenientes de biomassa renovável, como por exemplo o etanol, que no Brasil têm substituído parte os combustíveis derivados de petróleo e gás natural na geração de energia, e cuja a produção é por meio do plantio e processamento da cana-de-açúcar?

Note que, especificamente no caso brasileiro, os biocombustíveis são produzidos com a flagrante desvantagem de interferir na produção de gêneros alimentícios, devido a necessidade de grande aumento na produção de cana-de-açúcar e com a consequente redução nas lavouras alimentares e, dessa forma, aumentando o preço dos alimento e, ainda, de modo lamentável, fazendo uso de métodos de colheita que envolvem a prévia queima, ao ar livre, da palha nas lavouras.

A verdade é que é difícil dizer alguma coisa a respeito de se um sistema de energia elétrica será capaz de assumir o aumento da carga de VEs Plug-in, sem que ele tenha que ser ampliado, atualizado ou modificado, sem que se olhe para cada caso, em cada país, a condição da infraestrutura que já se encontra instalada e, principalmente, a que tipo matriz energética cada caso remete.

Também é interessante considerar o fato de que VEs Plug-in serão uma carga quando eles estiverem se carregando, consumindo corrente elétrica da rede, mas que, de uma forma atraente, os VEs Plug-in, a partir do ponto de vista do funcionamento da rede elétrica podem servir, também, como recursos de armazenamento de energia, para fornecer energia de reserva adicional em situações de contingência. Os VEs Plug-in têm sido concebidos sob o requerimento de poderem ser capazes de suportar o sistema de energia de várias maneiras, tais como a de interagir com a geração, sob a demanda de pico de consumo, como reserva circulante e reguladora.

É aqui que entra o conceito de “Energia Distribuída”, ou, mais apropriadamente a geração distribuída de energia, também denominada por muitos outros termos, tais como: geração local, geração dispersa, a geração integrada, geração descentralizada, energia descentralizada, energia distribuída ou energia de distrito, que considera gerar eletricidade a partir de muitas fontes de energia de pequeno porte, interligadas.

A maioria dos países geram eletricidade em grandes instalações centralizadas, tais como combustíveis fósseis (alimentadas a carvão ou gás), grandes usinas de energia solar, nucleares, ou, como é o caso do Brasil, usinas hidrelétricas. Estas plantas têm excelentes economias de escala, mas geralmente transmitem eletricidade a longas distâncias e podem afetar negativamente o meio ambiente.

A geração distribuída permite a coleta de energia de diversas fontes e pode causar mais baixos impactos ambientais e melhorar a segurança do abastecimento e, se bem utilizados, os VEs Plug-in podem vir a cooperar com isso.

Os VEs Plug-in nos Sistemas de Energia e a Energia Renovável:

Como destacado na seção anterior, os VEs Plug-in têm o potencial para contribuir para reduzir as emissões ambientais do setor de transportes. No entanto, é notório que eles poderão colocar, para muitos países, em maior ou menor grau, novos desafios para sistema de energia elétrica, especialmente no sistema de distribuição de energia, onde os veículos estão diretamente ligados. Esta seção destacará os desafios e efeitos.

A figura a seguir, extraída e adaptada de uma dissertação de mestrado de alunos do Departamento de Energia e Meio Ambiente da Divisão de Engenharia de Energia Elétrica da Universidade de Tecnologia Chalmers, Göteborg, Suécia, de 2010, mostra os possíveis efeitos de VEs Plug-in sobre os sistemas de energia.

Ela classifica os problemas em diferentes níveis, ou seja, ao nível da matriz energética e da geração de energia, além de aos níveis de ambos: o do sistema de distribuição e do sistema de transmissão de energia elétrica. A questão-chave que está sendo feita hoje é a forma como o sistema de energia verá o aumento em suas cargas totais, quando um elevado nível de VEs Plug-in sejam utilizados em um futuro próximo.

Repare que a figura considera, corretamente, que os VEs Plug-in estarão ligados ao sistema de distribuição de baixa tensão, mas, cujos grandes efeitos, devem ser considerados, também, sobre os níveis do sistema de geração e os níveis do sistema de transmissão. É importante notar que, como já foi apregoado em outros artigos anteriores deste blog, que isso será algo, em grande parte, dependente dos hábitos de carregamento que serão praticados pelos futuros usuários de VEs Plug-in.

  

Também é preciso ficar claro para o leitor não acostumado com o tema de energia quanto a questão da matriz energética. Para atender suas necessidades de energia, cada país já usa, atualmente, a energia de que dispõe em diferentes proporções. A proporção de eletricidade distribuída por um fornecedor de energia, por exemplo, é gerada a partir de diversas fontes disponíveis, tais como carvão, gás natural, petróleo, nuclear, hidrelétrica, eólica ou geotérmica: isto é o que chamamos de matriz energética e que, hoje em dia, difere bastante de país para país e que, para continuar a se desenvolver preservando o meio ambiente, a humanidade tem a necessidade de buscar diversificar e atualizar, cada vez mais, a sua matriz energética para fontes renováveis disponíveis.

Para cada região ou país, a composição da matriz energética depende de:

• Disponibilidade de recursos utilizáveis no seu território ou a possibilidade de importar estes;
• A extensão e a natureza das necessidades de energia a serem atendidas;
• O contexto econômico, social, ambiental e geopolítico da região ou país;
• As escolhas políticas que são resultantes do acima.

As necessidades energéticas da humanidade são continuamente crescente e, desde a Revolução Industrial, o desenvolvimento das sociedades tem sido largamente baseado no uso de combustíveis fósseis (petróleo, gás e carvão). Em 2009, mais de 80% da energia primária consumida no mundo veio de combustíveis fósseis, classe de recursos poluentes e não renováveis, que ocupa, ainda, o primeiro lugar no mix de energia global.

Dai deriva-se, ainda, outros conceitos correlatos importantes, especialmente no caso do Brasil, como é caso da Cogeração (Geração Combinada de Eletricidade e Calor), que se aplica, principalmente, à cadeia sucroalcooleira, no processamento da cana-de-açúcar, onde ocorre alta de manda de energia térmica, mecânica e elétrica. Após a extração do caldo, é possível queimar o bagaço obtido em caldeiras, produzindo vapor que deve ser utilizado para obter as três fontes de energia.

É importante ressaltar que, do total da energia contida na planta de cana-de-açúcar, o álcool responde por cerca de um terço, estando o restante distribuído entre o bagaço, os ponteiros e a palhada. Logo, a cogeração movimenta uma cadeia energética com potencial de, pelo menos, dobrar a energia obtida pela produção do álcool. Assim, numa visão holística, geração combinada consiste, na prática de se buscar maximizar tanto a eficiência dos processos de transformação e conversão de energia, quanto no máximo aproveitamento da fonte de energia processada.

Quanto aos veículos de passageiros novos, hoje já temos em circulação, desde veículos híbridos convencionais (não Plug-in), que têm pacotes de baterias relativamente pequenos, passando por VEs híbridos Plug-in a bateria, que permitem que uma parte da energia do veículo seja derivada da rede elétrica, e seguindo pelos VEs elétricos puros a bateria, VEs plug-in que dependem inteiramente da rede elétrica, além de, embora ainda seja uma tecnologia bastante cara, VEs a base de células de combustível, capazes de gerar eletricidade de forma limpa através de uma célula de combustível embarcada.

De qualquer modo, muitos observam que a transição para o vantajoso acionamento elétrico completo, para os veículos de passageiro, parece ser inevitável, pois, o acionamento elétrico oferece benefícios de desempenho substanciais aos veículos, incluindo o aumento da eficiência, melhores características de torque e de potência, maior densidade de potência, levando a avanços na arquitetura do veículo para a segurança e conforto, ruído reduzido e poucas partes móveis para maior confiabilidade.

Com os veículos utilizando mais acionamento elétrico, as fontes de energia tradicionais de geração elétrica e as fontes de energia de transporte tendem a se tornar muito mais interligadas.

Os VEs híbridos ou puros, conhecidos coletivamente como VEs Plug-in, exigem conexão direta com a rede elétrica, em níveis crescentes, proporcional à quilometragem percorrida por eles, abrindo portas para permitir que o transporte utilize, ainda mais, uma ampla gama de fontes de energia disponíveis anteriormente apenas para dispositivos de energia estacionários, além das tradicionais formas de transporte coletiva de passageiros, como os trens e os troleibus.

Da mesma forma, os veículos movidos a hidrogênio (célula de combustível) exigirão as mesmas fontes de energia, como a geração de energia elétrica, por exemplo, para produzir o hidrogênio, gerando-o, seja a partir de reforma de gás natural, da gaseificação do carvão, ou eletrólise da água, utilizando, de qualquer forma, qualquer fonte de energia elétrica.

Como resultado disso e, como a sociedade tem como objetivo reduzir as emissões de gases de efeito estufa, melhorar a qualidade do ar urbano e fornecer recursos de energia seguros, é imperativo que as futuras tecnologias de veículos e geração de energia elétrica sejam avaliadas, ambas, como um paralelo, como um sistema integrado e, os desafios que existem pela frente, variarão muito de país para país, em função da matriz energética já existente, com vantagens consideráveis para países como o Brasil, que já possuem uma matriz energética fortemente calcada em hidro geração de energia elétrica.

A Interação entre Veículos Elétricos Plug-in e o Sistema Elétricos Locais e Interligado:

Uma vez que VEs Plug-in são conectados aos sistemas de energia elétrica ao nível do sistema de distribuição de energia de baixa tensão, ou seja, para os lados do usuário final, eles poderão, obviamente, resultar em mudanças nos perfis de carga dos sistemas, que por sua vez resultam em mudanças na combinação de geração de energia, mudanças nos preços de energia elétrica, bem como o nível de emissão de CO₂ da produção de energia.

Quanto a prática dos futuros usuários dos VEs Plug-in, se os utilizadores de veículos ficarem livres para carregar os seus carros a qualquer hora que eles queiram (carga descontrolada), pode-se facilmente supor que eles ligarão os seus VEs à rede elétrica em momentos de pico de carga do sistema. Neste caso, os VEs Plug-in farão aumentar ainda mais tais picos de carga do sistema, que necessitarão de capacidade de geração (e transmissão) adicional.

Assim, um total redimensionamento da capacidade de pico de carga para o sistema de alimentação pode ser necessário, se o carregamento de VEs Plug-in for deixado sem controle. Por outro lado, se o carregamento controlado for utilizado, ou seja, se os motoristas puderem ser coordenados a carregar nos momentos quando o excesso de eletricidade renovável é gerado, o que significa que dispositivos de controle de carregamento sigam programações horárias diárias, como, por exemplo, priorizando a operação entre 23:00 Hs e 06:00 Hs. Neste caso, o perfil de carga do sistema será melhorado, de forma semelhante ao efeito de uma medida de gestão com "enchimento vale" do lado da procura, o que significa que a utilização do sistema é otimizada e, o que é ainda melhor, sem a necessidade de redimensionamento.

Potenciais problemas com o sistema de distribuição incluem a sobrecarga de alimentadores de distribuição, quando muitos VEs Plug-in estiverem carregando, ao mesmo tempo e na mesma área. A sobrecarga de alimentadores está, normalmente, associado também com uma considerável queda de tensão ao longo dos alimentadores, o que faz com que a tensão nos terminais finais se torne menor do que a tensão mínima aceitável. Isto, fatalmente, levará a necessidade de atualizar as subestações, mais cedo do que o esperado, por causa do carregamento deles, além de, também poder haver a necessidade de alterar ou modificar os sistemas de proteção existentes.

Carregamento em momentos de excesso de oferta, por sua vez reduz a necessidade de carregar durante os horários de pico, todavia, obviamente, nem sempre, em todos os casos, o carregamento de VEs Plug-in poderá ser feito, estritamente, na faixa de horário imaginado acima. Principalmente nos casos em que eles se encontrem em estradas, seguindo por grandes percursos, eles precisarão de recarga em horários diversos, e preferencialmente, de recarga imediata (recarga rápida) mas, nos casos de utilização cotidiana em meio urbano, deve ocorrer a prioridade para o carregamento doméstico, seguindo a programação de horários que forem vantajosos.

Outro fator a considerar é que, normalmente, até o presente momento da história, num sistema de distribuição típico, o fluxo de energia costuma ser unidirecional, ou seja, a partir da rede de média tensão para a rede de baixa tensão. No entanto, quando os VEs Plug-in funcionarem como armazenadores de energia, podendo injetar corrente elétrica na rede, tecnologia que é conhecida como V2G (vehicle-to-grid), o fluxo de energia bidirecional terá lugar, dentro de uma determinada área. Portanto, o ajuste de relés, tanto no nível baixa tensão, quanto de média tensão, pode precisar ser alterado, pois eles podem falhar, em condições normais de trabalho, quando a energia for fornecida a partir do nível da baixa tensão para o nível da média tensão.

Dependendo do projeto do sistema de carregamento, se o carregamento é monofásico ou trifásico, o desequilíbrio de carga pode ocorrer com o carregamento monofásico, se as distribuições de VEs Plug-in entre as fases forem muito desiguais. Isso vale para ambos os sentidos de fluxo (VEs Plug-in como carga ou como armazenadores) e, uma revisão mais completa dos efeitos de deles sobre os sistemas de energia pode se tornar necessário.

Postos de abastecimento rápido localizados em rodovias, para operar o carregamento de vários VEs Plug-in de modo simultâneo, poderão estar associados a fontes pré-armazenadoras de energia locais (bancos de baterias específicos para este fim) e, estes, ligados diretamente a rede de média tensão trifásica, de modo muito vantajoso para os fins da operação de sistemas de geração distribuída. (Veja também: 
Sistema de Armazenamento Intermediário Visando Rede Pública de Abastecimento de Veículo Elétrico é Pesquisado pela Itaipu Binacional)

A tecnologia do futuro que permite que a energia do veículo abasteça a rede elétrica, podem permitir que os veículos sirvam como fontes de eletricidade despachável, que podem ser invocadas no momento certo, conforme necessário e em tempos de baixa produção renovável. No entanto, a tecnologia, a economia e a atração de empreendimentos para a V2G ainda é incerto, e provavelmente há vários anos (ou mesmo décadas) de implementação, mesmo em um cenário de melhor caso, dada a necessária coordenação entre os consumidores, fabricantes de automóveis e concessionárias.

Como você se sentiria, por exemplo, ao encontrar a bateria do seu VE apenas parcialmente carregada, quando você esperaria encontrá-la plenamente carregada, ainda mais sabendo que aquela parte de energia faltante foi tomada de volta, pelo sistema elétrico? Isso sem contar a questão dos valores envolvidos nesta transação de compra e venda, complicados ainda mais com a questão de Tarifação Horo Sazonal, um sistema em que o preço das tarifas é diferenciado para os diferentes horários do dia (ponta e fora de ponta), com preços diferenciados, e períodos do ano (seco e úmido), uma vez que dependemos de hidroelétricas.

Para melhor entender este sistema de tarifação algumas definições são necessárias:

Horário de Ponta – Corresponde ao intervalo de 3 (três) horas consecutivas, definido pela concessionária, compreendido entre 17 e 22 horas, de segunda a sexta-feira.

Horário Fora de Ponta – Corresponde às horas complementares às 3 (três) horas relativas ao horário de ponta, acrescido do total de horas dos sábados e domingos.

Período Seco – Compreende o intervalo situado entre os fornecimentos abrangidos pelas leituras dos meses de maio a novembro de cada ano.

Período Úmido – Compreende o intervalo situado entre os fornecimentos abrangidos pelas leituras dos meses de dezembro de um ano a abril do ano seguinte.

Os VEs Plug-in também podem ser usados como dispositivos de carga programada, com base em mecanismos existentes entre concessionárias e clientes. Durante eventuais pico de demanda carga (por exemplo, em dias de verão quente em que ocorre elevado uso de condicionador de ar), ou durante os períodos de baixa geração de energia renovável (por exemplo, quando o vento não está soprando, onde haja geração eólica) as concessionárias podem reduzir a carga, ou fornecem mais energia. Os métodos atuais para a redução da carga incluem acordos contratuais em que os consumidores concordam, por exemplo, em desligar o ar-condicionado ou interromper as operações industriais, quando dirigido pela concessionária. Em troca, os clientes recebem incentivos monetários.

Em função disso, casas e empresas estão sendo adaptados com "Medidores Inteligentes" (Smart Meters) em muitos mercados ao redor do mundo que podem acessar informações de taxa em tempo real fornecidas pelas concessionárias e se comunicar com aparelhos. Os consumidores terão então a oportunidade de pré-programar esses aparelhos para executar somente quando eles são econômicos.

Ao controlar as taxas, a concessionária, em última análise, controla carga. Um VEs Plug-in poderia interagir com as concessionárias do mesmo modo, permitindo que ela forneça um certo controle sobre quando o veículo é carregado. Na verdade, os sistemas já integrados aos atuais VEs Plug-in podem permitir isso com muito mais facilidade do que o que há nas casas. Vale lembrar que muitas das funções de controle do Nissan Leaf, por exemplo, inclusive o início de carregamento, podem ser comandadas, e a leitura de vários parâmetros acessadas, via um telefone celular.

No futuro, estratégias V2G podem permitir que a energia armazenada a bordo dos VEs Plug-in forneça energia à rede se o veículo for ligado a ela, se uma medição inteligente adequada é estabelecida, e, principalmente, se as concessionárias e os proprietários dos VEs concordam com prazos e preços, mesmo que a real necessidade de utilizar a energia armazenada nos VEs Plug-in para satisfazer os picos de carga seja algo raro, provavelmente da ordem de apenas algumas horas ao longo de cada ano, como mostrado na figura a seguir, que representa o exemplo do estado norte-americano da Califórnia.

Os problemas e soluções, acima mencionados, no entanto, dependem das características especificas das redes elétricas em questão, do número de VEs Plug-in distribuído nas áreas abrangidas, os tipos e os tempos de carregamento, e assim por diante, o que remete a necessidade de se fazer uma pesquisa mais específica, a fim de responder a questões específicas relacionadas com cada rede. Em suma, é dessas pesquisas específicas que nascem as necessidades de controle, das quais as efetivas implementações implicam em resultar se o emprego massivo dos VEs Plug-in poderá atenuar ou agravar severamente o impacto das intermitências e horo sazonalidade inerentes aos sistemas elétricos.