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quinta-feira, 19 de julho de 2012

Veículos Elétricos, Carregadores e o Sistema Elétrico Interligado – O que o Chuveiro Elétrico e o Aquecimento a Gás tem com Isso?

Bom, depois de já termos dado uma boa olhada nas questões a respeito de Proteção por Aterramento, Proteção por Interruptor DR, e outras questões pertinentes às Instalações Elétricas Residenciais, vamos voltar mais uma vez o nosso olhar para a história dos Veículos Elétricos - VEs, ainda visando questões de segurança, mas também olhando para o (nosso) Sistema Elétrico (a rede elétrica CA), de uma maneira mais integral.

A história da tecnologia dos VEs e dos ECVEs (Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico), começou, de modo mais sério quando, em 1991, nos EUA, um consórcio nacional entre as montadoras de automóveis, fabricantes de equipamentos, empresas da construção civil, órgãos e departamentos do governo começaram a abordar as questões enfrentadas pela operação de carregamento de VEs.

Sob a denominação de “National Electric Vehicle Infrastructure Working Council (IWC)”, o consórcio iniciou os esforços paralelos para desenvolver equipamentos de carga para veículos utilizando uma abordagem sistêmica.

O resultado deste esforço foram padrões de equipamento e de segurança que resultam em equipamentos que usam tecnologia para lidar com riscos de choque elétricos e de baterias sem gaseamento de hidrogênio. O IWC submeteu esses padrões para várias outras instituições de desenvolvimento, normalização e certificação, tais como: o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE), o National Fire Protection Association (NFPA), o American National Standards Institute (ANSI), a Society of Automotive Engineers (SAE) e o Underwriters Laboratories (UL).

A SAE, mais especificamente, desenvolveu padrões de equipamentos com especificações em nível de detalhes operacionais e arquitetônicos para os carregadores e para os componentes embarcados do VE, que atuam durante o carregamento. A UL desenvolveu normas de segurança para certificação de equipamento de carregamento. A NFPA contribuiu, adotado normas de segurança, na forma do National Electrical Code - NEC 1996 ®

Em 1994, a California Energy Commission (Comissão de Energia do Estado da Califórnia) começou a trabalhar em conjunto com IWC, com representantes da Construção Civil e do Corpo de Bombeiros do Estado para modificar o artigo 625 (artigo que trata especificamente do sistema de carregamento para Veículos Elétricos) do NEC 1996 ® para acomodar questões específicas da Califórnia e aprová-lo dentro do prazo para a Califórnia adotá-lo em seu plano trienal.

Em Junho de 1996, uma versão modificada do artigo 625 do NEC 1996 ® passou a vigorar como novo artigo 625 do Código Elétrico da Califórnia.

Toda essa movimentação, causou a primeira grande bolha de desenvolvimento e produção de VEs, ainda no final dos anos '90 e, após a ocorrências de eventos complicadores controversos que sugeriam uma aparente derrota dessa tecnologia na época, dez anos depois o carro puramente elétrico retornou ao mercado, e agora com muito mais força ainda, com as tecnologias de baterias de Íons de Lítio mais amadurecidas e a nível mundial, não apenas na Califórnia EUA.

Em 2020 o Brasil poderá ter entre 1 e 2 milhões de carros elétricos rodando e mais de 2/3 deles poderão ser dotados de carregadores de baterias domésticos associados a eles. Profetizar isso não é surpreendente, pois isso é o que se espera nos EUA ainda para o início de 2016. Estes tais carregadores domésticos aos quais me refiro, são exatamente aqueles que permitem que os VEs façam um “Carregamento Normal” ou seja, um processo de carregamento que não é “Carregamento Rápido”.


Paralelamente ao carregamento doméstico dos VEs, toda uma infraestrutura pública comercial de carregadores rápidos está sendo implantada por lá mas, estes terão, sempre, a característica de forçarem uma diminuição da vida útil relativa à bateria e, não existe, a curto prazo, a perspectiva de “grandes mudanças” na tecnologias de baterias para esse fim.

Assim, o carregamento normal, apesar de ser uma operação mais demorada, continuará sendo aquele que é o recomentado pelos fabricantes de VEs e de baterias, a ser feito com maior frequência nas operações de carregamento, a fim de maximizar a vida útil da bateria que, na composição da base de custo dos VEs, tem um peso bastante considerável.

O sistema para carregamento normal ou carregamento doméstico que se tornou o mais aceitável, principalmente nos EUA e no Japão, é o definido pelo padrão SAE J1772, que contempla operações de cargamento com correntes que vão desde 16A até 50 A. O SAE J1772 é também o padrão mais adequado para o Brasil e terminará por ser adotado aqui, adaptado às nossas próprias normas.

Em 2020, tanto as Baterias quanto os Carregadores Embarcados dos VEs estarão, fatalmente, com valores de parâmetros atualizados, em relação àqueles que se encontram hoje. Como um exemplo, a Bateria do Nissan Leaf, que hoje tem uma capacidade de armazenar energia de 24 kW.h, em 2020 poderá armazenar, muito provavelmente, uma quantidade de energia bem maior, algo em torno de 45 kW.h a 55 kW.h.

Já, quanto ao carregador embarcado, que hoje apresenta uma potência de 3,3 kW, no caso do mesmo VE da Nissan, ele passará para a potência de 6,6 kW, antes mesmo de 2014 e deverá ser algo em torno de 9,9 kW em 2020.

A atualização da capacidade de energia da bateria está sendo providenciada para poder aumentar a autonomia do VE, que é um atributo muito desejável pelos consumidores e, a atualização da potência do carregador embarcado, é para que o tempo de operação de um carregamento normal seja diminuído, ou no mínimo mantido, outro desejo dos consumidores.

Se elevarmos a energia da bateria do VE, mas mantermos o mesmo carregador embarcado, fatalmente, o tempo de para carregar tal bateria aumenta e estes tempos não podem aumentar, sob pena de de se comprometer sobremaneira, ou mesmo de se inviabilizar, os VEs como solução de mobilidade.

Assim, então, se precisamos dobrar a capacidade de armazenar energia da bateria para obter a autonomia tão desejada, precisamos quadruplicar a potência do carregador embarcado, para que o carregamento se possa ser realizado na metade do tempo que o carregamento levava atualmente.

Olhando para o estado atual das tecnologias, pode-se afirmar que este é um cenário bastante factível para a indústria automobilística, a ser realizado na transição dos VEs de segunda geração, que são os que estão sendo vendidos agora e que entraram no mercado dos países desenvolvidos a partir de 2010 e os VEs de geração três, que são os que estarão no mercado em 2020. Todavia, a necessidade de manutenção do estado de competitividade entre as grandes montadoras, é possível que a oferta prevista para 2020, poderá vir entrando aos pouco, para atender os anseios das suas “clientelas verdes”.

O paradigma da elevação da autonomia pode até ser visto como uma mera questão de capricho do consumidor, que deseja ter, além de um carro de tecnologia limpa, também um alcance de mobilidade compatível ao dos motores a combustão interna: deseja-se poder viajar 300 km, antes de precisar abastecer, mesmo sabendo que uma autonomia de rodagem de apenas 170 km, já resolve mais de 80% das suas necessidades de mobilidade automotiva comuns.

Já, o aumento da potência do carregador embarcado, tem com motivação a manutenção ou, se possível, até mesmo o encurtamento do tempo de abastecimento dos VEs e, a soma dessas duas atualizações demandadas e perseguidas, acabam por gerar preocupações muito sérias quanto ao futuro, com respeito a curva de carga do sistema elétrico: o fato é que um grande número de VEs existentes não poderão dispor, em tempo integral, da rede elétrica para serem abastecidos.

Olhando para 2020, devido as atualizações perseguidas, as estações de carregamento doméstico deverão ser, todas, para trabalhar em tensão de 220V, e com uma corrente nominal de 50A, nem mais, nem menos do que isso. Cinquenta Ampères é a corrente máxima que se pode utilizar em modo de carregamento normal pois, pela norma atual, acima disso, com 50A ICARGA 80A, já é equivalente ao carregamento rápido, que não convém ser usado com uma frequência cotidiana, por tender comprometer a vida útil das caras baterias.

Além do mais, a perspectiva de se ver surgir, em uma escala muito rápida e, em um grande número de residência, um novo aparelho consumidor (a estação de carregamento de um VE), de 220V, 50A (ou seja, equivalendo a uma carga nova de 11 kV.A), já é algo bastante (muito mesmo) alarmante para quem cuida do sistema elétrico, em nível de geração, transmissão e distribuição, que hoje mesmo, já não tem um limite da capacidade muito acima da demanda dos horários de pico.

Assim sendo, há que se desenvolver uma “cultura de carregamento de VEs” nova e adequada, a fim de que as operações de carregamento doméstico dos VEs, possam vir ser realizadas de modo programado, drenando energia da rede elétrica apenas nos horários que convém, ou seja, da madrugada, no período das 0hs até as 6hs, quando a demanda é, tipicamente, a mais baixa possível.

Futuramente, VEs que eventualmente estiverem parados em suas garagens no horários de pico de consumo, poderão, até mesmo, servir como fontes de alimentação para a rede, desde que estejam conectados às suas estações de carregamento e poderão, então, “devolver” parte da energia armazenada em suas baterias, de sua voltas para a rede elétrica, a um valor de preço maior do que aquele com que ele se carregou durante a madrugada, ajudando assim, a manter um balanceamento do sistema elétrico da sua região, nestes horários de pico.

Então, finalmente, chegamos a uma boa razão real, para você trocar o sistema de aquecimento de água para chuveiros, de principio de funcionamento elétrico para o de funcionamento a gaz: não tem nada nisso que remeta a questões de segurança contra choques elétricos mas, é sim, por outras três questões que são:
  • Tornar disponível recursos da sua instalação elétrica residencial para finalidades de carregamento de VEs;
  • Poder dirigir um veículo de tecnologia limpa, máquina simples, silenciosa, durável e que atende a suas plenas necessidades de mobilidade;
  • Participar do maior programa de reorganização do perfil diário de consumo de energia da história da humanidade, não apenas deixando de consumir, diariamente, combustíveis, mas também reduzindo o consumo de energia elétrica nos horários de pico (e ainda tendo o possível sonho de ajudar o sistema a suprir alimentação).
Cada chuveiro elétrico a menos, substituído por sistema a gás, significará uma carga de 20A a 25A em 220V a menos na rede. Vale dizer, uma carga que, tradicionalmente, costuma ser ligada nos piores momentos dos horários de pico de consumo, entre 18hs e 22hs, ao passo que um VE, mesmo que demandando o dobro de corrente para se carregar do que um chuveiro elétrico consome e, apesar ainda de ter que ficar ligado, consumindo, por um tempo, em média, doze vezes maior que o de um banho, está poderá ser uma carga consumidora que entra no sistema apenas nós horários de menor demanda.

Para isso ocorrer, basta que seus inteligentes proprietários, mesmo que conectando-os a estação de carregamento doméstica em qualquer momento do dia ou da noite, configurem a operação de carga para ser realizada, automaticamente, apenas no período da madrugada, enquanto ele desfruta de seu sagrado sono. É simples assim!

Usuários de VEs que não puderem fazer o carregamento de suas baterias em casa no período compreendido entre 0hs e 6hs, comporão uma minoria de consumidores que poderão fazê-lo, ainda na parte da manhã, entre as 6hs as 11hs, quando o consumo médio de energia elétrica, apesar de já ter aumentado, ainda é menor do que aquele que ocorre no período da tarde e nas primeiras horas da noite, quando, tipicamente, o consumo médio cresce ainda mais e o pico maior de consumo acontece.

Portanto, juntamente com o advento dos VEs, nos chega toda uma nova necessidade, mas também toda uma nova oportunidade, de praticarmos um grande rearranjo de cultura e de perfil de consumo, apoiados em tecnologia. Não apenas de energia elétrica mas, envolve também uma “inter racionalização” entre as várias formas de energia consumida, como gás natural e outros combustíveis, combinada ainda com uma maximização da exploração de fontes alternativas, como, principalmente, a solar.

Vale citar ainda mais, o desenvolvimento de tecnologias de armazenamento intermediário de energia elétrica, visando a infraestrutura de uma rede de abastecimento por carregamento rápido de VEs, assim como aquela que já vem sendo pesquisada atualmente pela Itaipu Binacional, tudo resultando em um melhor balanceamento da distribuição do consumo da energia elétrica ao longo do dia, evitando picos de consumo.

Uma outra coisa importante sobre a Operação de Carregamentos de VEs é com respeito ao que é tecnicamente denominado Fator de Potência. O parâmetro Fator de Potência (cos φ) indica e quantifica a existência de uma forma de perturbação no sistema elétrico e esta perturbação é caracterizada por defasagem entre as grandezas Tensão e Corrente, que são relativas a energia elétrica que é consumida.

A defasagem é representada pela amplitude de um ângulo de defasagem (φ) e do ponto de vista do sistema elétrico, havendo defasagem, quanto maior ela for, pior será para suportá-la. Então busca-se por meio de compensações adequadas, reduzir ao mínimo o ângulo da defasagem entre a Tensão e a Corrente e, quanto mais próximo de zero graus se aproximar o ângulo da defasagem, mais de valor unitário se aproximará o seu cosseno, que é o Fator de Potência (se o ângulo é zero, o fator de potência = 1).

Olhando para este aspecto, a operação do sistema de carregamento de um VE, quando realizado por meio do seu conector SAE J1772, se comportará muito bem, segundo todas as fontes que tenho consultado, ou seja, como uma carga que garante um fator de potência 0,95, sem que haja preocupação com a inserção de componentes adicionais, que teriam a função exclusiva de prover compensações.

Muito embora um fator de potência ruim não signifique, para o consumidor residencial, elevação de custo de tarifa de consumo de energia elétrica, apenas para o consumidor industrial ou grande consumidor isso acontece, pensar-se num futuro com alguns alguns milhões de VEs, sendo carregados simultaneamente em suas garagens, mesmo que no período da madrugada, seria um problema considerável, para o sistema elétrico, se a operação provesse um fator de potencia ruim.

Para os carregadores de nível 2 (domésticos ou públicos), tem-se como requerimentos básicos que os Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico (ECVE), operando em conjunto com os Carregadores Embarcado nos VEs, devam, sempre, minimizar o seu impacto sobre qualidade de energia, consumindo corrente com um alto fator de potência para maximizar a aproveitamento da energia tomada do sistema elétrico. Isso é atingido, tipicamente, por se empregar topologias de Correção de Fator de Potência Ativa, pelo emprego de Conversores CC-CC BOOST (Unidirecionais ou Bidirecionais), enquanto a topologia de intercalamento pode reduzir a ondulação e o tamanho dos indutores.




Já, no caso dos Carregadores para a Rede Pública, os Carregadores Comerciais de Carregamento Rápido em CC, a topologia de Conversores Multiníveis é propício para esses carregadores de nível 3. Para mais detalhes, ver ….............................

Mesmo que uma estratégia de carregamento que resulte em um perfeito balanceamento do consumo ao longo do dia não seja algo factível, tê-la como meta é necessário, ou melhor, inevitável. Vale lembrar ainda, que as variações do consumo não ocorrem apenas ao longo de dia, mas elas seguem ainda, tendências sazonais, também tendencias regionais e ainda questões relativas aos custos da energia para os consumidores.

Curiosamente, não é impossível de acontecer que, num mesmo determinado mês em que ocorra um consumo médio relativamente baixo, ocorrer picos de consumo consideravelmente elevados. Dados associados a consumo médio remetem a observação da Situação dos Reservatórios, que é a energia armazenada mas, têm pouca relevância quanto às necessidade de dimensionamento da transmissão da energia pelo sistema elétrico, mas sim, muito mais, os picos de consumo é que são determinantes. Assim, para os efeitos do dimensionamento necessário ao sistema elétrico, uma notícia que divulgue a ocorrência uma diminuição de consumo médio mensal, poderá perder boa parte da sua aparente relevância, diante do registro da ocorrência de um único breve momento de pico, recorde de consumo de energia elétrica.

Uma notícia veiculada no dia 24 de Janeiro de 2012, da conta de que as altas temperaturas, associadas ao maior consumo da indústria, vinham fazendo com que o consumo de energia alcançasse níveis recordes no País. Segundo a notícia divulgada em:


De acordo boletim do ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico) divulgado na ocasião, foi registrado na tarde de uma dada segunda-feira, um pico histórico de demanda por energia elétrica. Às 15h32, a carga gerada chegou a 71.428 MW, superando o recorde anterior, que era de de 71.246 MW, verificado no dia 7 de dezembro anterior. Naquele dia, o consumo médio de energia havia sido 61.517 MW, dos quais 94% foram gerados por usinas hidrelétricas.

A notícia salientava que, o grande volume oriundo da produção elétrica a partir da água dos rios foi considerado como resultado do alto nível verificado nos reservatórios de todo o país, notadamente nas regiões Sudeste/Centro-Oeste e Nordeste, respectivamente com 73,90% de volume d'água contra 63%, na mesma época do ano anterior e 78,41% de volume d'água, contra apenas 53% na mesma época do ano anterior.

A notícia salientava ainda que, a região Sul, havia sido em grande parte responsável por aquele pico de consumo, registrando também o seu patamar regional, muito embora os reservatórios da região estivessem em situação oposta aos das regiões Sudeste/Centro-Oeste e Nordeste, ou seja, com níveis de volume d'água inferiores ao do mesmo período do ano anterior e, ainda, relativamente baixos (apenas 53%) devido a falta de chuvas naquela região.

Porém, o que tais notícias não costumam divulgar e que altos níveis de volume d'água (que é energia armazenada) favorecidos pela natureza em determinadas regiões e pelo bom planejamento da operação, não são o único parâmetro determinante da capacidade de superar, sem incidentes, os momentos de picos históricos de demanda por energia elétrica, mas todo o conjunto de aparatos do sistema elétrico interligado o é.

Eu não estou aqui intentando aventar que nós não tenhamos um sistema um sistema elétrico satisfatório, ou mesmo lançar dúvidas quanto a nossa capacidade de continuar a expandi-lo, até mesmo porque, o simples fato de os apagões ocorrem, atualmente, de forma até bastante aceitável (pelo menos na minha região, a área metropolitana da capital paulista, onde observa-se queda no fornecimento de energia apenas por motivos de evidentes transtornos eletrostáticos atmosféricos), corrobora com afirmação em contrário.

Na verdade, o SIN - Sistema Interligado Nacional, é algo deveras grandioso e admirável, com tamanho e características que permitem considerá-lo único em âmbito mundial, o sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. O Sistema Interligado Nacional é formado pelas empresas das regiões Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da região Norte. Apenas 3,4% da capacidade de produção de eletricidade do país encontra-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados localizados principalmente na região amazônica.



O site de Internet do ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico ( http://www.ons.org.br/home/ ), fornece um vasto conteúdo de informações em diversificado nível de detalhamento, tais como O Consumo Total de Energia do SIN, que é o gráfico da função da carga de energia (em MWMED) diário, A Situação dos Reservatórios, que é a energia armazenada a cada dia, por região ou detalhado, além de muitas outras, tais como O Boletim Diário da Operação, que é um documento que disponibiliza diariamente os resultados da operação apresentados de múltiplas maneiras:
  • Energia Natural Afluente por Região;
  • Energia Armazenada no Sistema por Região;
  • Balanço de Geração e Carga entre as Regiões;
  • Carga de Energia por Região;
  • Demanda Máxima Instantânea em MW;
  • Geração Hidráulica, Térmica e no Horário de Ponta;
  • Intercâmbio de Energia entre as Regiões;
  • Situação dos Principais Reservatórios de Acumulação;
  • Principais Eventos e Ocorrências;
  • Despacho Térmico;
Este documento serve de subsídio tanto às equipes de Programação, Pré-Operação e Tempo Real e também como fonte de dados estatísticos para o público em geral. O site permite acesso ao banco de dados operacional do sistema elétrico, podendo se aceder a planilhas e produzir gráficos feitos sob medida, de acordo com o interesse do usuário, como por exemplo, os dois gráficos que eu solicitei e apresento a seguir:

Com este gráfico, pode-se observar que tanto a “Carga de Energia” (em MW.hMED), quanto a “Carga de Demanda” (em MW.h/h) que foi entregue e suportada e pela totalidade do SIN ao longo de 2012, vem batendo, sucessivamente, mês a mês, aquela que ocorreu em 2011. Carga de Demanda é aquilo que mais se aproxima, permitindo comparações mês a mês, dos picos de consumo. Em outras palavras, mesmo que os dados sobre 2012 vão apenas até o mês de Junho, parece que fica claro que em 2012 estamos consumindo na média, mais energia elétrica do que consumíamos em 2011 e que também estamos provocando picos de consumo relativamente maiores. Estes gráficos também permitem se ter uma boa noção do caráter sazonal do consumo.

O Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS, no desempenho de sua atribuição institucional de coordenação, supervisão e controle da operação de geração e transmissão de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional – SIN, busca permanentemente, por determinação legal, proceder a essa operação atendendo aos critérios de transparência, neutralidade e equanimidade. O trabalho do ONS prima, sempre, por excelência. Segue abaixo, dados específicos da Demanda Máxima Instantânea, relativas ao dia anterior ao que esta resenha foi escrita. Repare que os recordes de pico de consumo, exceto na região norte, foram todos obtido recentemente, a partir de Fev/2012 :




Demanda Máxima Instantânea (em MW)

Data:
16/07/2012


Recorde até o dia

Submercado
Recorde do dia
Hora do recorde
Data
Valor

SE/CO
41.025
18:38
29/02/2012
47.463

S
12.787
17:50
06/03/2012
15.035

NE
9.477
18:35
23/04/2012
10.680

N
4.339
19:00
22/09/2011
4.750

SIN (TOTAL)
67.215
18:35
08/02/2012
76.733

Reparem também, que os horários de pico consumo do dia ocorrem, com frequência, entre 18hs e 19hs.

Deste modo, parece claro que consumo de energia elétrica continua a aumentar, tanto na média, quanto nos picos, todavia a nossa atividade industrial não me parece que se encontra assim, tão aquecida (mas me perdoem se eu estiver errado nisso) e, mesmo o carro elétrico ainda nem chegou por aqui.

Diante disso, eu, particularmente, me sinto bastante confortável e satisfeito por estar podendo agora, trocar o meu chuveiro elétrico por um novo chuveiro a gás, passando a comprar os serviços da Comgás para tal, empresa a qual eu confesso que ainda não conheço mas, diante da expectativa dos VEs entrarem em breve no Brasil, eu duvido muito que a Aneel possa voltar a vir defender o controle do consumo de gás via preço, como fez a cinco anos atrás.

No futuro próximo da mobilidade, a aplicação dos VEs pelas populações humanas é inevitável, imprescindível e já chegou, para ficar por um bom tempo, talvez dominando mesmo, todo o restante do século XXI.

A troca do sistema de aquecimento de água para banho, nas residências, de chuveiro elétrico, para aquecedor a gás, pode estar vindo a cair como uma luva pois, esta mudança, torna disponível ao menos um circuito no quadro de distribuição da instalação elétrica da residência, que pode ser retrabalhado e redirecionado para alimentar um Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico (ECVE, em inglês EVSE), poupando uma boa parte do investimento que seria necessário, no caso de se partir do zero, inserindo um circuito totalmente novo.

Além do mais, está mudança permite, ainda, uma relação de troca: deixa-se de consumir com o chuveiro elétrico, para se consumir com o carregamento do VE, trazendo a possibilidade de se fazer ajustes de demanda, equacionando a distribuição do consumo de energia elétrica ao longo de um dia.


Você pode continuar lendo sobre este mesmo tema na seguinte postagem:



Aquecedores de Água a Gás Natural Devem Colaborar com o Carregamento Doméstico de Veículos Elétricos


A Associação Brasileira do Veículo Elétrico - ABVE




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