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, SOx,
NOx 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.
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.
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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.
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