Rede elétrica -Electrical grid

Layout geral de redes elétricas. Voltagens e representações de linhas elétricas são típicas para a Alemanha e outros sistemas europeus.

Uma rede elétrica é uma rede interconectada para entrega de eletricidade dos produtores aos consumidores. As redes elétricas variam em tamanho e podem cobrir países ou continentes inteiros. Isso consiste de:

• centrais elétricas : muitas vezes localizadas perto de energia e longe de áreas densamente povoadas
• subestações elétricas para aumentar ou diminuir a tensão
• transmissão de energia elétrica para transportar energia por longas distâncias
• distribuição de energia elétrica para clientes individuais, onde a tensão é reduzida novamente para a(s) tensão(ões) de serviço necessária(s).

As redes são quase sempre síncronas, o que significa que todas as áreas de distribuição operam com frequências trifásicas de corrente alternada (CA) sincronizadas (para que as oscilações de tensão ocorram quase ao mesmo tempo). Isso permite a transmissão de energia CA em toda a área, conectando um grande número de geradores e consumidores de eletricidade e potencialmente permitindo mercados de eletricidade mais eficientes e geração redundante.

A rede combinada de transmissão e distribuição faz parte do fornecimento de eletricidade, conhecida como " rede elétrica " ​​na América do Norte , ou apenas "a rede". No Reino Unido , Índia , Tanzânia , Mianmar , Malásia e Nova Zelândia , a rede é conhecida como National Grid.

Embora as redes elétricas sejam generalizadas, em 2016, 1,4 bilhão de pessoas em todo o mundo não estavam conectadas a uma rede elétrica. À medida que a eletrificação aumenta, o número de pessoas com acesso à eletricidade da rede está crescendo. Cerca de 840 milhões de pessoas (principalmente na África) não tinham acesso à rede elétrica em 2017, abaixo dos 1,2 bilhão em 2010.

As redes elétricas podem ser propensas a intrusões ou ataques mal-intencionados; assim, há necessidade de segurança da rede elétrica . Além disso, à medida que as redes elétricas se modernizam e introduzem tecnologia de computador, as ameaças cibernéticas começam a se tornar um risco de segurança. Preocupações particulares estão relacionadas aos sistemas de computador mais complexos necessários para gerenciar redes.

História

A energia elétrica inicial era produzida perto do dispositivo ou serviço que requeria essa energia. Na década de 1880, a eletricidade competia com o vapor, a hidráulica e especialmente o gás de carvão . O gás de carvão foi produzido inicialmente nas instalações do cliente, mas depois evoluiu para usinas de gaseificação que obtiveram economias de escala . No mundo industrializado, as cidades possuíam redes de gás encanado, utilizado para iluminação. Mas as lâmpadas a gás produziam pouca luz, desperdiçavam calor, deixavam os quartos quentes e enfumaçados e emitiam hidrogênio e monóxido de carbono . Eles também representavam um risco de incêndio. Na década de 1880, a iluminação elétrica logo se tornou vantajosa em comparação com a iluminação a gás.

As concessionárias de energia elétrica estabeleceram estações centrais para aproveitar as economias de escala e passaram para geração, distribuição e gerenciamento de sistemas centralizados. Depois que a guerra das correntes foi resolvida a favor da alimentação CA , com a transmissão de energia a longa distância tornou-se possível interligar estações para equilibrar as cargas e melhorar os fatores de carga. Historicamente, as linhas de transmissão e distribuição eram de propriedade da mesma empresa, mas a partir da década de 1990, muitos países liberalizaram a regulação do mercado de eletricidade de forma que levou à separação do negócio de transmissão de eletricidade do negócio de distribuição.

No Reino Unido, Charles Merz , da parceria de consultoria Merz & McLellan , construiu a Neptune Bank Power Station perto de Newcastle upon Tyne em 1901 e, em 1912, tornou-se o maior sistema integrado de energia da Europa. Merz foi nomeado chefe de um comitê parlamentar e suas descobertas levaram ao Relatório Williamson de 1918, que por sua vez criou o Electricity (Supply) Act 1919 . O projeto de lei foi o primeiro passo para um sistema elétrico integrado. A Lei de Eletricidade (Abastecimento) de 1926 levou à criação da Rede Nacional. A Central Electricity Board padronizou o fornecimento de eletricidade do país e estabeleceu a primeira rede CA sincronizada, funcionando a 132 quilovolts e 50 Hertz . Este começou a operar como um sistema nacional, o National Grid , em 1938.

Nos Estados Unidos, na década de 1920, as concessionárias formaram operações conjuntas para compartilhar cobertura de carga de pico e energia de reserva. Em 1934, com a aprovação do Public Utility Holding Company Act (EUA), as concessionárias de energia elétrica foram reconhecidas como bens públicos de importância e receberam restrições delineadas e supervisão regulatória de suas operações. A Lei de Política Energética de 1992 exigia que os proprietários de linhas de transmissão permitissem às empresas de geração elétrica o acesso aberto à sua rede e levou a uma reestruturação de como a indústria elétrica operava em um esforço para criar concorrência na geração de energia. As concessionárias de energia elétrica não eram mais construídas como monopólios verticais, onde geração, transmissão e distribuição eram tratadas por uma única empresa. Agora, as três etapas podem ser divididas entre várias empresas, em um esforço para fornecer acesso justo à transmissão de alta tensão. A Lei de Política Energética de 2005 permitiu incentivos e garantias de empréstimos para a produção de energia alternativa e avançou em tecnologias inovadoras que evitavam as emissões de gases de efeito estufa .

Na França, a eletrificação começou nos anos 1900, com 700 comunas em 1919 e 36.528 em 1938. Ao mesmo tempo, essas redes próximas começaram a se interconectar: ​​Paris em 1907 a 12 kV, os Pirineus em 1923 a 150 kV e, finalmente, quase todo o país interligado em 1938 em 220 kV. Em 1946, a grade era a mais densa do mundo. Nesse ano o estado nacionalizou a indústria, unindo as empresas privadas como Électricité de France . A frequência foi padronizada em 50 Hz, e a rede de 225 kV substituiu 110 kV e 120 kV. Desde 1956, a tensão de serviço foi padronizada em 220/380 V, substituindo os anteriores 127/220 V. Durante a década de 1970, foi implementada a rede de 400 kV, o novo padrão europeu.

Na China, a eletrificação começou na década de 1950. Em agosto de 1961, a eletrificação da seção Baoji-Fengzhou da Ferrovia Baocheng foi concluída e entregue para operação, tornando-se a primeira ferrovia eletrificada da China . De 1958 a 1998, a ferrovia eletrificada da China atingiu 10.000 quilômetros. No final de 2017, esse número atingiu 54.000 milhas (87.000 quilômetros). No atual sistema de eletrificação ferroviária da China, a State Grid Corporation of China é um importante fornecedor de energia. Em 2019, concluiu o projeto de fornecimento de energia de importantes ferrovias eletrificadas da China em suas áreas de operação, como Jingtong Railway , Haoji Railway , Zhengzhou–Wanzhou ferroviária de alta velocidade , etc. comprimento de construção da linha de energia atingiu 6.586 quilômetros.

Componentes

Geração

Gerador turbo

Diagrama de um sistema de energia elétrica, sistema de geração em vermelho

A geração de eletricidade é o processo de geração de energia elétrica a partir de fontes de energia primária normalmente em usinas de energia . Geralmente isso é feito com geradores eletromecânicos acionados por motores térmicos ou pela energia cinética da água ou do vento. Outras fontes de energia incluem energia solar fotovoltaica e energia geotérmica .

A soma das saídas de energia dos geradores na rede é a produção da rede, normalmente medida em gigawatts (GW).

Transmissão

Linhas de Transmissão de Energia Elétrica Trifásica de 500 kV na Barragem de Grand Coulee ; quatro circuitos são mostrados; dois circuitos adicionais são obscurecidos por árvores à direita; toda a capacidade de geração de 7.079 MW da barragem é acomodada por esses seis circuitos.

A transmissão de energia elétrica é o movimento em massa de energia elétrica de um local de geração, por meio de uma rede de linhas interligadas, para uma subestação elétrica , da qual é conectada ao sistema de distribuição. Este sistema de conexões em rede é distinto da fiação local entre subestações de alta tensão e clientes.

Como a energia geralmente é gerada longe de onde é consumida, o sistema de transmissão pode cobrir grandes distâncias. Para uma determinada quantidade de energia, a eficiência de transmissão é maior em voltagens mais altas e amperagens mais baixas. Portanto, as tensões são aumentadas na estação geradora e reduzidas nas subestações locais para distribuição aos clientes.

A maioria das transmissões é trifásica . Trifásico, em comparação com monofásico, pode fornecer muito mais energia para uma determinada quantidade de fio, pois os fios neutro e terra são compartilhados. Além disso, geradores e motores trifásicos são mais eficientes do que seus equivalentes monofásicos.

No entanto, para os condutores convencionais, uma das principais perdas são as perdas resistivas, que são uma lei quadrada da corrente e dependem da distância. As linhas de transmissão CA de alta tensão podem perder 1-4% por cem milhas. No entanto, a corrente contínua de alta tensão pode ter metade das perdas da CA. Em distâncias muito longas, essas eficiências podem compensar o custo adicional das estações conversoras CA/CC necessárias em cada extremidade.

Diagrama de rede de um sistema de transmissão de alta tensão, mostrando a interligação entre os diferentes níveis de tensão. Este diagrama descreve a estrutura elétrica da rede, em vez de sua geografia física.

As redes de transmissão são complexas com caminhos redundantes. O layout físico é muitas vezes forçado pela terra disponível e sua geologia. A maioria das redes de transmissão oferece a confiabilidade que as redes mesh mais complexas fornecem. A redundância permite que falhas de linha ocorram e a energia seja simplesmente redirecionada enquanto os reparos são feitos.

Subestações

As subestações podem executar muitas funções diferentes, mas geralmente transformam a tensão de baixa para alta (step up) e de alta para baixa (step down). Entre o gerador e o consumidor final, a tensão pode ser transformada várias vezes.

Os três principais tipos de subestações, por função, são:

• Subestação elevadora: utilizam transformadores para elevar a tensão proveniente dos geradores e usinas para que a energia possa ser transmitida a longas distâncias com mais eficiência, com correntes menores.
• Subestação abaixadora: estes transformadores abaixam a tensão proveniente das linhas de transmissão que podem ser utilizadas na indústria ou enviadas para uma subestação de distribuição.
• Subestação de distribuição: estes transformam a tensão mais baixa novamente para a distribuição aos usuários finais.

Além dos transformadores, outros componentes ou funções importantes das subestações incluem:

• Disjuntores : usados ​​para interromper automaticamente um circuito e isolar uma falha no sistema.
• Interruptores : para controlar o fluxo de eletricidade e isolar equipamentos.
• O barramento da subestação : normalmente um conjunto de três condutores, um para cada fase da corrente. A subestação está organizada em torno dos barramentos, e eles são conectados às linhas de entrada, transformadores, equipamentos de proteção, chaves e linhas de saída.
• Para-raios
• Capacitores para correção do fator de potência

Distribuição de energia elétrica

A distribuição é o estágio final na entrega de energia; transporta eletricidade do sistema de transmissão para consumidores individuais. As subestações se conectam ao sistema de transmissão e reduzem a tensão de transmissão para média tensão variando entre2  kV e35kV . As linhas de distribuição primária transportam essa energia de média tensão para os transformadores de distribuição localizados próximos às instalações do cliente. Os transformadores de distribuição novamente baixam a tensão para a tensão de utilização . Os clientes que exigem uma quantidade muito maior de energia podem ser conectados diretamente ao nível de distribuição primária ou ao nível de subtransmissão .

As redes de distribuição são divididas em dois tipos, radiais ou em rede.

Nas cidades e vilas da América do Norte, a grade tende a seguir o design clássico de alimentação radial . Uma subestação recebe sua energia da rede de transmissão, a energia é reduzida com um transformador e enviada para um ônibus de onde os alimentadores se espalham em todas as direções do campo. Esses alimentadores carregam energia trifásica e tendem a seguir as principais ruas próximas à subestação. À medida que a distância da subestação aumenta, o fanout continua à medida que laterais menores se espalham para cobrir áreas perdidas pelos alimentadores. Essa estrutura em forma de árvore cresce para fora da subestação, mas por motivos de confiabilidade, geralmente contém pelo menos uma conexão de backup não utilizada para uma subestação próxima. Esta conexão pode ser habilitada em caso de emergência, de forma que uma parte do território de serviço de uma subestação possa ser alimentada alternativamente por outra subestação.

Armazenar

Rede elétrica simplificada com armazenamento de energia

Fluxo de energia de rede simplificado com e sem armazenamento de energia idealizado para um dia

O armazenamento de energia da rede (também chamado de armazenamento de energia em larga escala ) é uma coleção de métodos usados ​​para armazenamento de energia em larga escala dentro de uma rede elétrica . A energia elétrica é armazenada durante períodos em que a eletricidade é abundante e barata (especialmente de fontes de energia intermitentes , como eletricidade renovável a partir de energia eólica , energia das marés e energia solar ) ou quando a demanda é baixa, e depois retorna à rede quando a demanda é alta e os preços da eletricidade tendem a ser mais altos.

A partir de 2020, a maior forma de armazenamento de energia da rede é a hidroeletricidade represada , com geração hidrelétrica convencional e hidroeletricidade reversível .

Os desenvolvimentos no armazenamento de bateria permitiram que projetos comercialmente viáveis ​​armazenassem energia durante o pico de produção e liberassem durante o pico de demanda, e para uso quando a produção cai inesperadamente, dando tempo para que os recursos de resposta mais lenta sejam colocados on-line.

Duas alternativas para o armazenamento da rede são o uso de usinas de pico para preencher as lacunas de oferta e a resposta da demanda para transferir a carga para outros horários.

Funcionalidades

Demanda

A demanda, ou carga em uma rede elétrica é a energia elétrica total sendo removida pelos usuários da rede.

O gráfico da demanda ao longo do tempo é chamado de curva de demanda .

A carga de base é a carga mínima na rede em um determinado período, a demanda de pico é a carga máxima. Historicamente, a carga de base era comumente atendida por equipamentos relativamente baratos de operar, que funcionavam continuamente por semanas ou meses, mas globalmente isso está se tornando menos comum. Os requisitos de demanda de pico extra às vezes são produzidos por plantas caras de pico que são geradores otimizados para entrar em operação rapidamente, mas estes também estão se tornando menos comuns.

Tensão

As redes são projetadas para fornecer eletricidade a seus clientes em tensões amplamente constantes. Isso deve ser alcançado com demanda variável, cargas reativas variáveis ​​e até cargas não lineares, com eletricidade fornecida por geradores e equipamentos de distribuição e transmissão que não são perfeitamente confiáveis. Muitas vezes, as redes usam comutadores em transformadores próximos aos consumidores para ajustar a tensão e mantê-la dentro das especificações.

Frequência

Em uma rede síncrona, todos os geradores devem funcionar na mesma frequência e devem permanecer quase em fase entre si e com a rede. A geração e o consumo devem ser equilibrados em toda a rede, porque a energia é consumida à medida que é produzida. Para geradores rotativos, um regulador local regula o torque de acionamento, mantendo a velocidade de rotação quase constante à medida que a carga muda. A energia é armazenada no curto prazo imediato pela energia cinética rotacional dos geradores.

Embora a velocidade seja mantida em grande parte constante, pequenos desvios da frequência nominal do sistema são muito importantes na regulação de geradores individuais e são usados ​​como forma de avaliar o equilíbrio da rede como um todo. Quando a rede está levemente carregada, a frequência da rede funciona acima da frequência nominal, e isso é considerado uma indicação pelos sistemas de Controle Automático de Geração em toda a rede de que os geradores devem reduzir sua saída. Por outro lado, quando a rede está muito carregada, a frequência diminui naturalmente e os reguladores ajustam seus geradores para que mais energia seja produzida ( controle de velocidade de queda ). Quando os geradores têm configurações idênticas de controle de velocidade de queda, isso garante que vários geradores paralelos com as mesmas configurações compartilhem a carga proporcionalmente à sua classificação.

Além disso, muitas vezes há um controle central, que pode alterar os parâmetros dos sistemas AGC em escalas de tempo de um minuto ou mais para ajustar ainda mais os fluxos da rede regional e a frequência de operação da rede.

Para fins de cronometragem, a frequência nominal poderá variar no curto prazo, mas é ajustada para evitar que os relógios operados em linha ganhem ou percam tempo significativo ao longo de um período de 24 horas.

Uma rede síncrona inteira funciona na mesma frequência, as redes vizinhas não seriam sincronizadas, mesmo que funcionem na mesma frequência nominal. Linhas de corrente contínua de alta tensão ou transformadores de frequência variável podem ser usados ​​para conectar duas redes de interconexão de corrente alternada que não estão sincronizadas entre si. Isso oferece o benefício da interconexão sem a necessidade de sincronizar uma área ainda mais ampla. Por exemplo, compare o mapa de grade síncrona de área ampla da Europa com o mapa de linhas HVDC.

Capacidade e capacidade firme

A soma das potências máximas ( capacidade nominal ) dos geradores ligados a uma rede elétrica pode ser considerada a capacidade da rede.

No entanto, na prática, eles nunca são executados simultaneamente. Normalmente, alguns geradores são mantidos funcionando com potências de saída mais baixas ( reserva giratória ) para lidar com falhas e variações na demanda. Além disso, os geradores podem ficar off-line para manutenção ou outros motivos, como disponibilidade de insumos de energia (combustível, água, vento, sol etc.) ou restrições de poluição.

A capacidade firme é a potência máxima em uma rede que está imediatamente disponível em um determinado período de tempo e é um valor muito mais útil.

Produção

A maioria dos códigos de rede especifica que a carga é compartilhada entre os geradores em ordem de mérito de acordo com seu custo marginal (ou seja, mais barato primeiro) e às vezes seu impacto ambiental. Assim, os fornecedores de eletricidade baratos tendem a ficar esgotados quase o tempo todo, e os produtores mais caros só funcionam quando necessário.

Falha no tratamento

As falhas geralmente estão associadas a geradores ou linhas de transmissão de energia disparando disjuntores devido a falhas que levam à perda de capacidade de geração para os clientes ou excesso de demanda. Isso geralmente fará com que a frequência diminua e os geradores restantes reagirão e, juntos, tentarão se estabilizar acima do mínimo. Se isso não for possível, vários cenários podem ocorrer.

Uma grande falha em uma parte da rede – a menos que seja rapidamente compensada – pode fazer com que a corrente se reencaminhe para fluir dos geradores restantes para os consumidores através de linhas de transmissão de capacidade insuficiente, causando mais falhas. Uma desvantagem de uma rede amplamente conectada é, portanto, a possibilidade de falha em cascata e falta de energia generalizada . Uma autoridade central é geralmente designada para facilitar a comunicação e desenvolver protocolos para manter uma rede estável. Por exemplo, a North American Electric Reliability Corporation ganhou poderes vinculativos nos Estados Unidos em 2006 e tem poderes consultivos nas partes aplicáveis ​​do Canadá e do México. O governo dos EUA também designou Corredores de Transmissão Elétrica de Interesse Nacional , onde acredita que os gargalos de transmissão se desenvolveram.

Apagão

Um apagão perto da Torre de Tóquio em Tóquio , Japão

Um brownout é uma queda intencional ou não intencional de tensão em um sistema de fornecimento de energia elétrica . Brownouts intencionais são usados ​​para redução de carga em caso de emergência. A redução dura minutos ou horas, ao contrário da queda de tensão de curto prazo (ou queda). O termo brownout vem do escurecimento experimentado pela iluminação incandescente quando a tensão cai. Uma redução de tensão pode ser um efeito de interrupção de uma rede elétrica, ou pode ocasionalmente ser imposta em um esforço para reduzir a carga e evitar uma queda de energia , conhecida como apagão .

Queda de energia

Uma queda de energia (também chamada de corte de energia , falta de energia, blecaute , falha de energia ou blecaute ) é uma perda de energia elétrica para uma área específica.

As falhas de energia podem ser causadas por falhas em centrais elétricas, danos a linhas de transmissão elétrica, subestações ou outras partes do sistema de distribuição , curto-circuito , falha em cascata , operação de fusíveis ou disjuntores e erro humano.

As falhas de energia são particularmente críticas em locais onde o meio ambiente e a segurança pública estão em risco. Instituições como hospitais , estações de tratamento de esgoto , minas , abrigos e similares normalmente terão fontes de energia de reserva, como geradores de reserva , que serão acionados automaticamente quando houver falta de energia elétrica. Outros sistemas críticos, como telecomunicações , também precisam ter energia de emergência. A sala de baterias de uma central telefônica geralmente possui conjuntos de baterias de chumbo-ácido para backup e também uma tomada para conectar um gerador durante longos períodos de interrupção.

Descarte de carga

Os sistemas de geração e transmissão de eletricidade nem sempre atendem aos requisitos de pico de demanda – a maior quantidade de eletricidade exigida por todos os clientes de serviços públicos em uma determinada região. Nessas situações, a demanda geral deve ser reduzida, seja desligando o serviço de alguns dispositivos ou cortando a tensão de alimentação ( brownouts ), a fim de evitar interrupções de serviço descontroladas, como falta de energia (apagão generalizado) ou danos aos equipamentos. As concessionárias podem impor cortes de carga em áreas de serviço por meio de apagões direcionados, apagões contínuos ou por acordos com consumidores industriais específicos de alto uso para desligar equipamentos em horários de pico de demanda em todo o sistema.

Começo preto

Toronto durante o blecaute do Nordeste de 2003 , que exigiu o black-start das estações geradoras.

Um black start é o processo de restauração de uma estação de energia elétrica ou parte de uma rede elétrica para operação sem depender da rede externa de transmissão de energia elétrica para se recuperar de um desligamento total ou parcial.

Normalmente, a energia elétrica utilizada dentro da usina é fornecida pelos próprios geradores da estação. Se todos os geradores principais da usina forem desligados, a energia de serviço da estação é fornecida ao extrair energia da rede através da linha de transmissão da usina. No entanto, durante uma interrupção de área ampla, a energia externa da rede não está disponível. Na ausência de energia da rede, um chamado black start precisa ser executado para inicializar a rede elétrica em operação.

Para fornecer uma partida preta, algumas usinas possuem pequenos geradores a diesel , normalmente chamados de geradores a diesel de partida preta (BSDG), que podem ser usados ​​para acionar geradores maiores (de vários megawatts de capacidade), que por sua vez podem ser usados ​​para iniciar a partida principal. geradores de usinas. As usinas geradoras usando turbinas a vapor requerem potência de serviço da estação de até 10% de sua capacidade para bombas de água de alimentação de caldeiras, sopradores de ar de combustão de tiragem forçada de caldeiras e para preparação de combustível. Não é econômico fornecer uma capacidade de espera tão grande em cada estação, portanto, a energia de partida preta deve ser fornecida por linhas de ligação designadas de outra estação. Muitas vezes, as usinas hidrelétricas são designadas como as fontes black-start para restaurar as interconexões da rede. Uma usina hidrelétrica precisa de muito pouca energia inicial para iniciar (apenas o suficiente para abrir as comportas de entrada e fornecer corrente de excitação para as bobinas de campo do gerador), e pode colocar um grande bloco de energia em linha muito rapidamente para permitir a partida de combustível fóssil ou estações nucleares. Certos tipos de turbinas de combustão podem ser configurados para partida preta, oferecendo outra opção em locais sem usinas hidrelétricas adequadas. Em 2017, uma concessionária no sul da Califórnia demonstrou com sucesso o uso de um sistema de armazenamento de energia de bateria para fornecer uma partida preta, acionando uma turbina a gás de ciclo combinado a partir de um estado ocioso.

Escala

Microrrede

Uma microrrede é uma rede local que geralmente faz parte da rede síncrona regional de área ampla, mas que pode se desconectar e operar de forma autônoma. Pode fazer isso em momentos em que a rede principal é afetada por interrupções. Isso é conhecido como ilhamento e pode ser executado indefinidamente com seus próprios recursos.

Em comparação com redes maiores, as microrredes normalmente usam uma rede de distribuição de baixa tensão e geradores distribuídos. As microrredes podem não apenas ser mais resilientes, mas também mais baratas de implementar em áreas isoladas.

Um objetivo do projeto é que uma área local produza toda a energia que usa.

Exemplos de implementações incluem:

• Hajjah e Lahj , Iêmen: microrredes solares de propriedade da comunidade.
• Programa piloto Île d'Yeu : sessenta e quatro painéis solares com capacidade máxima de 23,7 kW em cinco casas e uma bateria com capacidade de armazenamento de 15 kWh.
• Les Anglais , Haiti: inclui detecção de roubo de energia.
• Mpeketoni , Quênia: um sistema de micro-rede movido a diesel baseado na comunidade.
• Stone Edge Farm Winery: micro-turbina, célula de combustível, bateria múltipla, eletrolisador de hidrogênio e vinícola com capacidade fotovoltaica em Sonoma, Califórnia .

Grade síncrona de área ampla

Uma rede síncrona de área ampla , também conhecida como "interconexão" na América do Norte, conecta diretamente muitos geradores que fornecem energia CA com a mesma frequência relativa para muitos consumidores. Por exemplo, existem quatro interconexões principais na América do Norte (a Western Interconnection , a Eastern Interconnection , a Quebec Interconnection e a Texas Interconnection ). Na Europa, uma grande rede conecta a maior parte da Europa continental .

Uma rede síncrona de área ampla (também chamada de "interconexão" na América do Norte) é uma rede elétrica em escala regional ou maior que opera em uma frequência sincronizada e é eletricamente ligada durante as condições normais do sistema. Estas também são conhecidas como zonas síncronas, sendo a maior delas a rede síncrona da Europa Continental (ENTSO-E) com 667  gigawatts (GW) de geração, sendo a região mais ampla atendida a do sistema IPS/UPS que atende países do Antiga União Soviética. Redes síncronas com ampla capacidade facilitam o comércio de eletricidade em áreas amplas. Na ENTSO-E em 2008, mais de 350.000 megawatts-hora foram vendidos por dia na European Energy Exchange (EEX).

Cada uma das interconexões na América do Norte são executadas a 60 Hz nominais, enquanto as da Europa funcionam a 50 Hz. Interconexões vizinhas com a mesma frequência e padrões podem ser sincronizadas e conectadas diretamente para formar uma interconexão maior, ou podem compartilhar energia sem sincronização através de linhas de transmissão de energia de corrente contínua de alta tensão ( DC Ties ) ou com transformadores de frequência variável (VFTs) , que permitem um fluxo controlado de energia enquanto também isolam funcionalmente as frequências AC independentes de cada lado.

Os benefícios das zonas síncronas incluem o agrupamento de geração, resultando em custos de geração mais baixos; agrupamento de carga, resultando em efeitos de equalização significativos; provisionamento comum de reservas, resultando em custos de energia de reserva primária e secundária mais baratos; abertura do mercado, resultando na possibilidade de contratos de longo prazo e trocas de energia de curto prazo; e assistência mútua em caso de distúrbios.

Uma desvantagem de uma grade síncrona de área ampla é que problemas em uma parte podem ter repercussões em toda a grade. Por exemplo, em 2018 Kosovo usou mais energia do que gerou devido a uma disputa com a Sérvia , levando a fase em toda a rede síncrona da Europa Continental a ficar para trás do que deveria ter sido. A frequência caiu para 49,996 Hz. Isso fez com que certos tipos de relógio ficassem seis minutos atrasados.

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  As redes síncronas da Europa

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  As duas principais e três interconexões menores da América do Norte

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  Principais WASGs em todo o mundo

Super grade

Um plano conceitual de uma super rede ligando fontes renováveis ​​no norte da África, Oriente Médio e Europa. ( DESERTEC )

Uma super-rede ou super -rede é uma rede de transmissão de área ampla que se destina a possibilitar o comércio de grandes volumes de eletricidade a grandes distâncias. Às vezes também é referido como uma mega-rede . As super-redes podem apoiar uma transição energética global suavizando as flutuações locais da energia eólica e solar . Neste contexto são considerados como uma tecnologia chave para mitigar o aquecimento global . As super-redes normalmente usam corrente contínua de alta tensão (HVDC) para transmitir eletricidade a longas distâncias. A última geração de linhas de energia HVDC pode transmitir energia com perdas de apenas 1,6% por 1000 km.

As concessionárias de energia elétrica entre as regiões são muitas vezes interconectadas para melhorar a economia e a confiabilidade. Os interconectores elétricos permitem economias de escala, permitindo que a energia seja comprada de fontes grandes e eficientes. As concessionárias podem extrair energia das reservas de geradores de uma região diferente para garantir energia contínua e confiável e diversificar suas cargas. A interconexão também permite que as regiões tenham acesso a energia a granel barata, recebendo energia de diferentes fontes. Por exemplo, uma região pode estar produzindo energia hidrelétrica barata durante as estações de águas altas, mas em estações de águas baixas, outra área pode estar produzindo energia mais barata através do vento, permitindo que ambas as regiões acessem fontes de energia mais baratas uma da outra durante diferentes épocas do ano. As concessionárias vizinhas também ajudam outros a manter a frequência geral do sistema e também ajudam a gerenciar as transferências de ligação entre as regiões das concessionárias.

O Nível de Interconexão de Eletricidade (EIL) de uma rede é a razão entre a potência total de interconexão da rede dividida pela capacidade de produção instalada da rede. Dentro da UE, estabeleceu uma meta de redes nacionais atingindo 10% até 2020 e 15% até 2030.

Tendências

Resposta da demanda

A resposta à demanda é uma técnica de gerenciamento de rede em que os clientes de varejo ou atacado são solicitados ou incentivados eletronicamente ou manualmente para reduzir sua carga. Atualmente, os operadores da rede de transmissão usam a resposta à demanda para solicitar redução de carga dos principais usuários de energia, como plantas industriais. Tecnologias como a medição inteligente podem incentivar os clientes a usar energia quando a eletricidade é abundante, permitindo preços variáveis.

Infraestrutura antiga

Apesar dos novos arranjos institucionais e projetos de rede da rede elétrica, suas infraestruturas de fornecimento de energia sofrem envelhecimento em todo o mundo desenvolvido. Os fatores que contribuem para o estado atual da rede elétrica e suas consequências incluem:

• Equipamentos envelhecidos – equipamentos mais antigos têm maiores taxas de falhas , levando a taxas de interrupção do cliente afetando a economia e a sociedade; além disso, ativos e instalações mais antigos levam a custos de manutenção de inspeção mais altos e custos adicionais de reparo e restauração .
• Layout do sistema obsoleto – áreas mais antigas exigem sérios locais de subestação e direitos de passagem que não podem ser obtidos na área atual e são forçados a usar instalações existentes e insuficientes.
• Engenharia desatualizada – as ferramentas tradicionais para planejamento e engenharia de fornecimento de energia são ineficazes para resolver os problemas atuais de equipamentos antigos, layouts de sistemas obsoletos e níveis de carga modernos e desregulados.
• O antigo valor cultural – planejamento , engenharia , operação do sistema usando conceitos e procedimentos que funcionavam em uma indústria verticalmente integrada agravam o problema em uma indústria desregulamentada.

Geração distribuída

Com tudo interligado, e a concorrência aberta ocorrendo em uma economia de livre mercado , começa a fazer sentido permitir e até incentivar a geração distribuída (GD). Geradores menores, geralmente não pertencentes à concessionária, podem ser colocados em operação para ajudar a suprir a necessidade de energia. A instalação de geração menor pode ser um proprietário de casa com excesso de energia de seu painel solar ou turbina eólica. Pode ser um pequeno escritório com um gerador a diesel. Esses recursos podem ser colocados on-line a pedido da concessionária ou pelo proprietário da geração em um esforço para vender eletricidade. Muitos pequenos geradores podem vender eletricidade de volta à rede pelo mesmo preço que pagariam para comprá-la.

À medida que o século 21 avança, a indústria de concessionárias de energia elétrica procura tirar proveito de novas abordagens para atender à crescente demanda de energia. As concessionárias estão sob pressão para evoluir suas topologias clássicas para acomodar a geração distribuída. À medida que a geração se torna mais comum a partir de geradores solares e eólicos no telhado, as diferenças entre as redes de distribuição e transmissão continuarão a se confundir. Em julho de 2017, o CEO da Mercedes-Benz disse que o setor de energia precisa trabalhar melhor com empresas de outros setores para formar um “ecossistema total”, para integrar recursos energéticos centrais e distribuídos (DER) para dar aos clientes o que eles desejam. A rede elétrica foi originalmente construída para que a eletricidade fluísse dos fornecedores de energia para os consumidores. No entanto, com a introdução do DER, a energia precisa fluir nos dois sentidos na rede elétrica, porque os clientes podem ter fontes de energia, como painéis solares.

Rede inteligente

A rede inteligente seria um aprimoramento da rede elétrica do século 20, usando comunicações bidirecionais e distribuídos os chamados dispositivos inteligentes. Fluxos bidirecionais de eletricidade e informação podem melhorar a rede de distribuição. A pesquisa é focada principalmente em três sistemas de uma rede inteligente – o sistema de infraestrutura, o sistema de gerenciamento e o sistema de proteção.

O sistema de infraestrutura é a infraestrutura de energia, informação e comunicação subjacente à rede inteligente que suporta:

• Geração, entrega e consumo avançados de eletricidade
• Medição, monitoramento e gerenciamento avançados de informações
• Tecnologias avançadas de comunicação

Uma rede inteligente permitiria à indústria de energia observar e controlar partes do sistema em maior resolução no tempo e no espaço. Um dos propósitos da rede inteligente é a troca de informações em tempo real para tornar a operação o mais eficiente possível. Isso permitiria o gerenciamento da rede em todas as escalas de tempo, desde dispositivos de comutação de alta frequência em uma escala de microssegundos, até variações de produção eólica e solar em uma escala de minutos, até os efeitos futuros das emissões de carbono geradas pela produção de energia em uma escala de décadas.

O sistema de gerenciamento é o subsistema em rede inteligente que fornece serviços avançados de gerenciamento e controle. A maioria dos trabalhos existentes visa melhorar a eficiência energética, perfil de demanda, utilidade, custo e emissão, com base na infraestrutura usando otimização , aprendizado de máquina e teoria dos jogos . Dentro da estrutura de infraestrutura avançada da rede inteligente, espera-se que cada vez mais novos serviços e aplicativos de gerenciamento surjam e, eventualmente, revolucionem a vida cotidiana dos consumidores.

O sistema de proteção de uma rede inteligente fornece análise de confiabilidade da rede, proteção contra falhas e serviços de proteção de segurança e privacidade. Embora a infraestrutura de comunicação adicional de uma rede inteligente forneça mecanismos adicionais de proteção e segurança, ela também apresenta risco de ataque externo e falhas internas. Em um relatório sobre segurança cibernética da tecnologia de rede inteligente produzido pela primeira vez em 2010 e posteriormente atualizado em 2014, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA apontou que a capacidade de coletar mais dados sobre o uso de energia dos medidores inteligentes do cliente também levanta grandes preocupações com a privacidade , uma vez que as informações armazenadas no medidor, que são potencialmente vulneráveis ​​a violações de dados , podem ser extraídas para obter detalhes pessoais sobre os clientes.

Nos EUA, a Lei de Política Energética de 2005 e o Título XIII da Lei de Independência e Segurança Energética de 2007 estão fornecendo financiamento para incentivar o desenvolvimento de redes inteligentes. O objetivo é permitir que as concessionárias prevejam melhor suas necessidades e, em alguns casos, envolvam os consumidores em uma tarifa por tempo de uso. Os fundos também foram alocados para desenvolver tecnologias de controle de energia mais robustas.

Deserção da rede

Como há alguma resistência no setor de concessionárias de energia elétrica aos conceitos de geração distribuída com várias fontes de energia renováveis ​​e unidades de cogeração em microescala , vários autores alertaram que a deserção da rede em larga escala é possível porque os consumidores podem produzir eletricidade usando sistemas fora da rede compostos principalmente da tecnologia solar fotovoltaica .

O Rocky Mountain Institute propôs que pode haver deserção da grade em larga escala. Isso é apoiado por estudos no Centro-Oeste. No entanto, o jornal aponta que a deserção da rede pode ser menos provável em países como a Alemanha, que têm maiores demandas de energia no inverno.

Veja também

• Código de rede : uma especificação para equipamentos conectados à rede
• Ligação à rede
• Barreiras corta-fogo de transformador de alta tensão
• Rede de transmissão de energia norte-americana
• North American Electric Reliability Corporation (NERC)
• Lei de Eletrificação Rural

Referências

links externos

• Mapa de geração e transmissão dos EUA
• O sistema elétrico dos EUA é composto por interconexões e autoridades de balanceamento , US Energy Information Administration (EIA).
• O Open Infrastructure Map é uma visão da infraestrutura de energia oculta do mundo mapeada no banco de dados OpenStreetMap .