Microrredes em corrente contínua

20/10/2016

AC vs. DC - A guerra das correntes foi vencida pelos defensores da corrente alternada, devido à dificuldade de se transmitir e distribuir CC em longas distâncias e altas potências. Atualmente, essa dificuldade não mais existe, o que traz à tona a discussão sobre os ganhos de se substituir o padrão de distribuição de CA para CC. 

O sistema elétrico no século XXI

A sociedade moderna é altamente dependente da eletricidade, sendo que o aumento do consumo de energia elétrica possui uma forte correlação com o aumento da qualidade de vida de uma população. No ritmo atual, em 2040 o consumo de eletricidade no mundo será 69% maior do que o observado em 2015 [Fonte: International Energy Outlook 2016], de modo que garantir formas de atender essa crescente demanda, mas de uma maneira sustentável e com maior disponibilidade de energia, eficiência e qualidade é um enorme desafio.

Neste contexto, a modernização da infraestrutura e operação dos sistemas elétricos têm sido tratada como a principal iniciativa a ser adotada para garantir uma maior conservação de energia, uma matriz energética mais renovável e um sistema mais resiliente a falhas, sem entretanto impedir o desenvolvimento econômico e social das nações. A estrutura atual do sistema elétrico se baseia na geração concentrada em grandes usinas, normalmente localizadas em pontos distantes dos centros consumidores, e um fluxo unidirecional de energia dessas usinas ao consumidor, via longas linhas de transmissão e complexas redes de distribuição. Este paradigma acarreta em grandes perdas energéticas devido ao transporte de energia, na ordem de 15% a 17% no Brasil, na impossibilidade de se ter uma grande penetração de fontes de geração distribuída (próximas ao consumidor), por não ser concebido para lidar com bidirecionalidade de energia, além de existirem graves problemas relativos à disponibilidade de energia, já que a perda de uma grande usina, a queda de uma grande linha de transmissão, ou até o perfil de carga atípico pode levar o sistema ao colapso, produzindo prejuízos sociais e econômicos contundentes.

No rol de ações a serem tomadas para realizar a modernização do sistema elétrico, a principal em atual discussão é a incorporação de elementos de medição inteligente, automação e atuação distribuídos ao longo da rede elétrica e interligados a uma camada de comunicação de dados. Com isso, os agentes do setor elétrico terão profundo conhecimento em tempo real das condições de operação do sistema e poderão executar rotinas que promovam a sua otimização, além de dar ao consumidor ciência do seu perfil de consumo. Esta nova arquitetura de rede elétrica tem sido referida na literatura como Smart Grid.

Outra vertente, que busca tornar mais eficaz a integração de fontes de geração distribuída, como energia solar fotovoltaica e eólica, com a rede elétrica e elevar os níveis de qualidade de energia e disponibiildade hoje percebidos pelos consumidores, é o desenvolvimento do conceito de Microrredes. As microrredes são sistemas de distribuição de energia independentes, os quais possuem localmente unidades de geração, baseadas em fontes renováveis em sua maioria, e unidades de armazenamento de energia. Elas podem operar de forma ilhada, apenas com recursos locais, ou conectada à rede elétrica das concessionárias de energia, sendo que o intercâmbio de energia pode ser controlado por um gerenciador local. A Fig. 1 exemplifica o diagrama de uma microrrede.    

Fig. 1 - Diagrama de uma microrrede

Nas microrredes, o comportamento intemitente da geração distribuída é compensado pelo sistema de armazenamento, de modo que eventuais flutuações de potência que poderiam ocorrer em um sistema elétrico convencional são eliminadas. Além disso, a possibilidade de ilhamento permite que o sistema se desconecte da rede elétrica durante distúrbios e falhas, o que eleva consideravelmente a qualidade da energia fornecida aos consumidores. Outra questão é que se pode ter um gerenciamento local do fluxo de potência, que busque otimizar os custos de operação de modo a trazer para os consumidores vantagens econômicas no consumo de energia e maior eficiência energética. 

Distribuição em corrente contínua 

Como em uma microrrede, cada elemento utiliza um conversor eletrônico para fazer a interface com o barramento principal do sistema, existe a possibilidade de o padrão de distribuição ser modificado, sem que isso afete o funcionamento do sistema elétrico. Muita se tem discutido sobre a possibilidade de adotar uma distribuição local em corrente contínua, principalmente em edifícios comerciais e residenciais. O motivo para tal está no fato de que nestes ambientes a maioria dos equipamentos existentes são eletrônicos (TVs, computadores, no-breaks, monitores, sonorização, vigilância, etc), os quais consomem energia em corrente contínua intrínsecamente, sendo que estágios de conversão de energia são utilizados para adaptar a tensão CA da rede elétrica à demanda das cargas. Com isso, a substituição da tensão de distribuição para um nível CC adequado permitira a eliminação de estágios de conversão desnecessários, elevando a eficiência da instalação. A mesma situação também é observada ao se conectar um sistema de geração distribuída à rede, uma vez que a tensão produzida pelas fontes renováveis não é diretamente compatível com a rede elétrica atual. A Fig. 2 exemplifica os estágios de conversão de equipamentos eletrônicos e de geração, explicitando os ganhos de se utilizar distribuição CC.

Fig. 2 - Eliminação de estágios de conversão com o emprego de distribuição c.c..

Existe uma expectativa de ganho de eficiência, em função da mitigação de conversões de energia desnecessárias, de 2% a 15% em sistemas residenciais e de até 38% em datacenters. Com essa perspectiva, muitas empresas e universidades ao redor do mundo vêm trabalhando para construir plantas-piloto e laboratórios-vivos, de modo a tentar validar experimentalmente tais estimativas.

 A Fig. 3 mostra os resultados do retrofit de equipamentos domésticos para adaptá-los à distribuição CC, feitos no projeto Chiang Mai World Green City, na Tailândia, onde uma comunidade experimental é alimentada por uma rede CC de 240V. Observa-se que ganhos bem significativos são alcançados, principalmente em equipamentos intrínsicamente eletrônicos, sendo nestes casos na ordem de 45% a 50%. 

No caso de datacenters, existem atualmente algumas instalações que operam em corrente contínua, em especial no Japão, onde a NTT, empresa do ramo de telecom, possui um programa para distribuição CC. Normalmente o barramento principal trabalha em 380V e os racks de equipamentos de IT já são adaptados para receberem tal tensão. A Fig. 4 mostra a localização de alguns empreendimentos com distribuição CC da NTT no Japão.  

Fig. 3 - Comparação de ganhos de eficiência em equipamentos domésticos.

Fig. 4 - Locais de instalação de Datacenters CC no Japão.

Desafios para adoção ampla e novas tendências

Apesar de prometer maiores ganhos energéticos e facilidade na integração com fontes de geração distribuída e acumuladores de energia, a adoção de uma distribuição em corrente contínua em larga escala ainda precisa superar diversos entraves, dos quais podem ser citados:

  • Falta de experiência prática no projeto, montagem e comissionamento de instalações CC;
  • Falta de padrões e normas consolidadas que abordem estes sistemas;
  • Falta de um padrão de tensão;
  • Pouco conhecimento prático sobre questões de segurança (faltas, falhas e choques elétricos);
  • Falta de produtos e equipamentos compatíveis com a instalação CC.

Um grande impulso no sentido de solucionar alguns dos problemas supracitados foi dado em 2008, com a criação do consórcio americano Emerge Alliance, o qual incorpora grandes coorporações do setor de eletrônicos, energia e de soluções para edifícios (arquitetura, luminotécnica, sensoramento, etc) para elaborar padrões de distribuição CC para datacenters e edifícios comerciais, os quais serão utilizados por seus membros no projeto de seus produtos. O motivo por traz dessa iniciatia são exigências legais de países como os EUA e os membros da União Européia, por meio de leis como o EISA (Energy Independency and Security Act - EUA) e o EPBD (Energy Performance in Buildings Directive - UE), no sentido de que todos os prédios comerciais desses países devem ser energeticamente independentes até 2050, um conceito referido na literatura como Net Zero Energy Buildings (ZEB), que demanda que um edifício produza localmente a energia consumida ao longo do ano. Como satisfazer essas exigências demanda um significativo aumento na eficiência energética dos edifícios, o interesse em se utilizar distribuição CC tem se intensificado.

A Emerge Alliance atualmente dispõe de dois padrões: Occupied Spaces (OS), para salas e escritórios, e Datacom/Telecom (DT), para datacenters. No padrão OS, um módulo de potência (PSM - Power Supply Module) produz barramentos de 24V/100W, normalmente distribuídos no teto dos ambientes, para conexão direta de equipamentos. A Fig.  5 mostra o esquemático desse padrão e um vídeo institucional que ilustra a sua aplicação.

Fig. 5 - Emerge Alliance - Padrão Occupied Spaces

Além da possibilidade de elevar a eficiência do ambiente comercial, o padrão da Emerge Alliance promete flexibilizar a montagem das salas comerciais e simplificar a instalação elétrica, além de garantir um sistema mais segura, uma vez que o nível de tensão de 24V não provoca choques elétricos danosos ao corpo humano.

O padrão DT, por outro lado, empega um barramento de 380V, como muitas outras arquiteturas encontradas na literatura, com o intuito de alimentar cargas de maior potência, mas com fiação de menor bitola. A Fig. 6 ilustra o diagrama deste padrão.

Note que ambos padrões permitem a incorporação de geração local e armazenamento de energia, sendo que o PSM no padrao OS e o ECC (Electronic Control Center)  no padrão DT são os equipamentos responsáveis por realizar todo gerenciamento de energia da instalação. Com isso, a arquitetura do sistema de distribuição da Emerge Alliance se assemelha a uma microrrede CC.

Fig. 6 - Diagrama do padrão de Datacom/Telecom

Atualmente, os membros desta organização possuem produtos compatíveis com o padrão de distribuição CC proposto, o que torna a adoção de corrente contínua em edifícios comerciais, nos EUA e Europa, algo factível para um horizonte de médio a longo prazo. Em países como o Brasil e China, não se percebe ainda iniciativas neste sentido, nem de parte dos órgãos reguladores/governamentais, nem de parte do mercado privado. No que tange o uso de corrente contínua em residências, por outro lado, algumas questões são levandas:

  • As instalações residenciais não empregam transformadores isoladores entre a instalação interna o o ponto de acoplamento com a rede elétrica externa, por questões de custo e área disponível;
  • A segurança da instalação se torna crítica.

A falta de um isolamento elétrico entre uma possível instalação CC e a rede elétrica CA, a qual normalmente é aterrada no ponto de acesso, faz com que os riscos causados por choques elétricos e faltas (curto-circuitos) se eleve, em relação às instalações comerciais. Discute-se na literatura que a estrutura do conversor de interface entre a rede elétrica e a instalação possui um papel crucial na definição deste risco, de modo que este deve ser projetado com bastante cuidado. Com isso, o emprego de dispositivos de proteção contra sobre-correntes (disjuntores) e choques elétricos (corrente residuais - DR) no lado CC se torna crucial para garantir a segurança de usuários de uma instalação residencial CC. Disjuntores eletromagnéticos para corrente contínua estão disponíveis no mercado atualmente, no entanto, muito se discute sobre a sua eficácia em proteger microrredes, uma vez que o tempo de detecção e abertura são muito superiores aos tempos necessários para que as proteções contra sobre-corrente dos conversores eletrônicos atuem, o que indica que durante faltas, os conversores iriam se desligar antes que os disjuntores sejam acionados, o que compromete a coordenação de proteção da instalação. Assim, disjuntores de estado sólido, mais rápidos, seriam mais indicados. Por outro lado, tais disjuntores ainda não se encontram amplamente disponíveis no mercado. Já dispositivos DR para corrente contínua não estão disponíveis. A decção de correntes residuais contínuas pode ser feita por meio de DRs do tipo B, no entanto, estes não possuam a capacidade de abrir uma instalação CC e suportar a intensidade do arco elétrico produzido.

Como se observa, os sistemas de distribuição CC têm se desenvolvido no mundo, principalmente em países desenvolvidos, com empresas e entidades propondo soluções concretas para a sua viabilização e rápida adoção. Contudo, um longo caminho ainda deve ser percorrido para que este novo modelo seja amplamente utilizado e seja capaz de substituir o padrão CA. 

Trabalhos de Pesquisa na UFMG  

O Prof. Thiago de Oliveira, assim como os demais membros do Grupo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (GEP-UFMG) desenvolvem trabalhos na área de microrredes e distribuição CC, buscando contribuir para este ramo e propor soluções que auxiliem na sua rápida adoção na sociedade, em especial, no sistema elétrico brasileiro. Atualmente, são realizados trabalhos nos seguintes temas:

  • Controle e gerenciamento de microrredes CC, CA e híbridas
  • Gerenciamento de sistemas de armazenamento de energia em microrredes;
  • Desenvolvimento de dispositivos de detecção e proteção contra correntes residuais CC;
  • Desenvolvimento de conversores estáticos;
  • Estudos de estabilidade de microrredes;

Um protótipo de microrrede CC de 5kW, com sistema de armazenamento de 10kWh e geração local de 3kWp está em atual construção nos laboratórios do GEP para servir como base para novos estudos. 

Você se interessa por mais informações sobre este projeto? Mande um e-mail para troliveira@cpdee.ufmg.br e entre em contato conosco.