O objetivo principal deste projeto é realizar uma Prova de Conceito com sistema de armazenamento de energia transportável para conectar na média tensão de subestações ou alimentadores da Copel. Este projeto foi um dos participantes finalistas da etapa nacional do Premio CIER de inovação 2022, na categoria Descentralização.
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Resumo
Este projeto de pesquisa e desenvolvimento busca implementar uma solução transportável de sistema de armazenamento de energia para conexão à rede de distribuição junto à subestação ou ao longo do alimentador para atendimento de contingências programadas, atendimentos sazonais de demandas com pico de consumo e usinas fotovoltaicas. O estudo será baseado em simulações computacionais e medições de qualidade de energia para avaliar os impactos causados na rede elétrica com a entrada desta nova tecnologia, ensaios laboratoriais para avaliar diferentes tecnologias de baterias e compará-las, análise de impactos ambientais e estudos de modelos de negócio e regulação tarifária para a entrada de sistemas de armazenamento de energia na rede elétrica.
O objetivo principal do projeto é realizar uma Prova de Conceito com sistema de armazenamento de energia transportável para conectar na média tensão de subestações ou alimentadores da Copel (34,5 kV / 13,8 kV), com capacidade de fornecer 1 MVA de potência e 1 MWh de energia. Este sistema basicamente é constituído por conversores de energia (inversor e retificador), sistema de gerenciamento, baterias de tecnologia avançada e subestação de elevação de tensão, em container(s) de uso externo. A solução será transportável em dois containers e será utilizada principalmente para atendimento de contingências programadas e picos de demanda sazonais.
Outros objetivos do projeto são:
- Análise técnico-econômica da tecnologia de baterias usada na solução, em comparação com as demais encontradas no mercado. Os testes e medições na prova de conceito serão usados para definir as reais características técnicas da instalação, aumentando a assertividade da análise técnica.
- Estudos e ensaios laboratoriais para determinar a tecnologia de bateria mais adequada para a aplicação proposta, com foco em vida útil, baixa periodicidade de manutenção e custos de instalação: Lítio-íon (LiB), Níquel sódio (NiNaCl) e Chumbo-ácida avançada (PbC);
- Análise de aspectos e impactos ambientais relacionados a tecnologia das baterias utilizados na planta piloto;
- Elaboração de um Roadmap tecnológico para o fomento da tecnologia no Brasil;
- Identificação de modelos de negócio que viabilizem e incentivem a inserção do sistema de armazenamento no mercado nacional de energia elétrica;
- Estudo de adequação da tecnologia às condições de operação do sistema elétrico nacional;
- Estudo do impacto da inserção em larga escala do sistema de armazenamento de energia no sistema elétrico nacional
Autor principal: Mauricio Biczkowski (Eng. Eletricista)
Outros autores: Eduardo Nobuhiro Asada (Professor); Vitor Torquato Arioli (Eng. Eletricista); José Carlos de Melo Vieira Jr (Professor)
Motivação
As contingências em sistemas elétricos podem estar relacionadas a desligamento de equipamentos para manutenção ou alguma atuação de equipamentos de proteção que deixam de operar. É de suma importância a concessionária de energia ter planos de contingências para não interromper o fornecimento de energias aos consumidores.
Também é muito comum de se encontrar nas redes de energia elétrica uma demanda maior em determinados períodos do ano, principalmente durante o pico de consumo. Estas demandas sazonais podem necessitar de um alto investimento em infraestrutura para atender determinados períodos de pico de consumo de energia.
Uma alternativa interessante para atender os dois casos citados anteriormente é o uso de sistema de armazenamento de energia elétrica conectados ao barramento de média tensão (MT) de uma subestação ou ao longo de alimentadores. Os desenvolvimentos recentes em acumuladores de energia eletroquímicos (baterias) permitem a montagem de uma solução de grande porte, permitindo que forneçam potência e energia na faixa de MW e MWh, respectivamente. Pelo fato de algumas tecnologias de baterias terem altas densidades de energia e potência (e.g. lítio-íon, sódio), é possível o uso de uma solução de armazenamento transportável, viabilizando a aplicação em diferentes localidades que tenham perfis de carga sazonais com sobrecarga em horários de pico e em situações de contingências programadas.
Destaca-se que os custos das tecnologias avançadas de baterias estão com tendência de forte queda, viabilizando sua aplicação em sistemas de grande porte.
Alimentadores que operam com muita variação de demanda da carga, ficando muitos períodos do dia superdimensionados e em outros subdimensionados. Em alguns casos, quando a demanda for muito alta, os valores de tensão podem ficar fora do especificado pelo PRODIST, ou o alimentador não possui capacidade elétrica de suprir essa demanda exigida pelas cargas. Nesse caso os acumuladores de grande porte podem operar durante o período de baixa demanda como carga, carregando-se da energia excedente disponibilizada pelo alimentador. No instante que a demanda das cargas aumenta os acumuladores passam a operar como fonte de energia, auxiliando o fornecimento do alimentador em termos de capacidade de corrente e potência e nos níveis de tensão.
Devido à eletrônica de potência (conversores de energia) contemplada nesta solução de armazenamento de energia, o sistema de gerenciamento também permite a atuação como suporte de reativos, mitigar harmônicas, regular tensão, entre outros.
O sistema de armazenamento de energia também pode ser utilizado para tornar uma usina fotovoltaica com características de uma geradora de energia firme, que dentro de determinados limites poderá operar como geração com despacho de energia, assim como mitigar os fenômenos causados pelas variações bruscas da radiação solar, evitando transitórios na rede elétrica.
E suma, este projeto busca viabilizar a utilização de sistemas de armazenamento de energia em subestações por meio de uma solução transportável que pode ser aplicada para diferentes fins.
Fases do desenvolvimento do projeto
De um modo geral a metodologia do projeto se baseia na implantação de uma prova de conceito da solução de armazenamento móvel de 1MW / 1MWh para conexão em subestações da concessionária.
Para isso serão pesquisadas as tecnologias e funcionalidades de sistemas de armazenamento comercialmente disponíveis, elaborada especificação da solução para uma posterior aquisição pela concessionária. Então serão obtidos e analisados todos os dados desta prova de conceito em diferentes aplicações e características de subestações, para
assim gerar os produtos requeridos da Chamada 21 da ANEEL. Como parceiro tecnológico está a empresa multinacional WEG S.A. para o desenvolvimento do sistema de armazenamento.
A seguir é descrito com mais detalhes a rota tecnológica do projeto:
- Pesquisa de estado da arte e funcionalidades da tecnologia de armazenamento de grande porte
- Benchmarking internacional
- Especificação técnica e levantamento de fornecedores da solução
- Caracterização da rede elétrica de estudo antes da implantação do sistema
- Modelos computacionais dos componentes do sistema elétrico
- Montagem da solução de armazenamento de energia para o PoC
- Prova de Conceito (PoC) do Sistema de Armazenamento Transportável
- Ensaios de desempenho de diferentes tecnologias de baterias aplicáveis à solução
- Análise computacional dos impactos na rede elétrica, na operação, planejamento e limites de conexão na estrutura atual – Parte I: Regime Permanente e Operação em Paralelo com a Rede Elétrica
- Análise computacional dos impactos na rede elétrica, na operação, planejamento E limites de conexão na estrutura atual – Parte II: Análises Transitórias e Operação em Paralelo com a Rede Elétrica.
- Estudo do impacto da inserção em larga escala do sistema de armazenamento de energia no sistema elétrico nacional
- Estudo de adequação da tecnologia às condições de operação do sistema elétrico nacional
- Análise do impacto ambiental da PoC e plano de descomissionamento após fim de vida útil
- Estudo de viabilidade técnico-econômica e financeira da solução
- Modelos de negócio e Regulação Tarifária
- Roadmap Tecnológico e Expansão da Solução
Sobre o negócio
Identificam-se impactos positivos quanto ao retorno econômico-financeiro dos investimentos na aplicação de armazenamento de energia em paralelo com a rede de distribuição, em substituição às soluções convencionais. Espera-se por meio deste P&D, verificar se tais ganhos de fato se viabilizarão, afetando positivamente a operação do sistema com ganhos de produtividade pelo melhoramento da qualidade de energia fornecida.
Um dos principais impactos econômicos é a postergação de investimento em reforços de rede com a utilização da solução móvel para atendimentos sazonais de picos de energia. O projeto dará condições à concessionária para avaliar a inserção e os efeitos da conexão de conversores eletrônicos e redes de distribuição. Nesse contexto, a prova de conceito fará com que diferentes metodologias de controle e gerenciamento possam ser testadas e avaliadas antes da sua instalação.
A qualidade no fornecimento está intimamente ligada ao método utilizado para gerenciar e controlar o conversor eletrônico. Nesse quesito, é importante que os índices de qualidade estejam dentro dos limites estabelecidos por normas nacionais e internacionais de qualidade de energia elétrica. Além disso, o uso de diferentes estruturas de controle e métodos de gerenciamento impactará diretamente na redução das multas relativas à violação do FIC e DIC e trará um aumento da satisfação dos consumidores em consequência da melhoria da qualidade e continuidade do fornecimento.
Outro benefício é a compensação de distorções, reativos e desequilíbrios no caso do inversor operar com filtros ativos. Tais dispositivos são capazes de operar em multitarefa mitigando eventos e, ainda, fornecendo potência à rede de distribuição da concessionária. Os benefícios mensuráveis esperados com o sistema de armazenamento de energia conectado na rede de média tensão da subestação são: postergação de investimentos para atender picos periódicos, melhoria dos indicadores de qualidade com atendimento de situações de contingências e o uso otimizado das SEs.
Ainda será possível a melhora na SE referente a outros parâmetros de qualidade de Energia (harmônicos, reativos, etc.). Dentre os benefícios intangíveis pode-se citar a minimização de eventuais pagamentos de multas por não atender requisitos da ANEEL e consequentemente melhora-se a imagem da empresa, por aumentar a disponibilidade de energia elétrica ao consumidores.
O projeto irá estudar a viabilidade técnica-econômica do sistema de armazenamento de energia na aplicação proposta. Corroborando com a ideia deste estudo dentro do projeto, um relatório da Rocky Mountain Institute fez um levantamento dos resultados de vários estudos (EPRI, SANDIA, NREL,etc.) sobre quanto de valor (em $/kW-ano) as baterias conectadas à rede podem trazer para as concessionárias de energia, identificando grandes variações nos valores de cada estudo (até 600%). A conclusão foi que as diferenças não foram por causa das metodologias ou premissas utilizadas, e sim pelas diversas variáveis que existem para chegar nesse valor, como mercado de energia, variáveis técnicas, variáveis regulatórias, entre outras.
Sobre o impacto socioambiental
O desenvolvimento deste projeto contribuirá para o bem estar socioambiental, dando assistência ao desenvolvimento social em todas as dimensões (sociais, econômicas e ambientais), considerando a mitigação de problemas que indicam uma baixa qualidade do sistema de energia, com efetividade na implantação e melhoria no serviço entregue à população.
Em relação ao armazenamento de energia eletroquímica (baterias) serão utilizadas tecnologias de última geração, tais como baterias de lítio-íon, sódio, fluxo, etc, que não contém metais pesados e possuem maior vida útil que as baterias tradicionais (chumbo é cádmio)
Desafios e próximos passos
O sistema de armazenamento transportável foi um grande desafio, principalmente na sua especificação técnica. Criar uma especificação técnica para uma “subestação sob rodas” já é de conhecimento da empresa, porém nesse caso tivemos o agravante de possuir um sistema de armazenamento acoplado, em que os fornecedores de baterias impõem proibições, restrições ou limitações para o transporte. Vencida essa etapa, foi feita a licitação, inúmeras conversas com o fornecedor até que o produto estivesse o mais adequado possível para operar acoplada ao sistema elétrico. Estamos ansiosos para que o sistema seja acoplado na rede de distribuição o mais breve possível e possamos validar os ganhos previamente previstos.