Capıtulo 1

O Sistema de Energia Eletrica

1.1 Conceito Geral

O Sistema de Energia Eletrica (SEE) e um sistema bastante complexo, concebido coma funcao principal de entregar energia eletrica aos consumidores. A energia eletrica eproduzida1 em centrais eletricas, as quais, normalmente, se situam em locais afastadosdos pontos de consumo. Por isso, e necessario transportar a energia, desde os locaisonde ela e produzida, ate aos locais onde ela e consumida. O transporte de energiaeletrica necessita de uma infraestrutura fısica2, constituıda por linhas aereas ou cabossubterraneos. Esta infraestrutura fısica compreende ainda a existencia de equipamentosdestinados a criar as condicoes para que a transmissao se faca com perdas reduzidas – ostransformadores. Finalmente, a energia eletrica e entregue aos clientes, com a qualidadeadequada.

1.1.1 Grandezas fundamentais

Para observar, estudar e compreender o funcionamento do SEE, usam-se duas grandezasfundamentais: a corrente3 e a tensao. A corrente eletrica e um fluxo organizado deeletroes num material, em geral, um metal. Nos metais, ha eletroes que podem libertar-seda estrutura da nuvem eletronica e mover-se livremente atraves do material, originando,assim, uma corrente eletrica. Para manter a corrente de eletroes, e preciso fornecer energia,uma vez que os eletroes a vao perdendo, nas colisoes com a estrutura do material. E por

1Na verdade, a energia eletrica nao e produzida, mas sim transformada a partir de energia ja exis-tente noutras formas. Por facilidade de linguagem, usaremos a palavra “producao” (e “consumo”), tendopresente que nos estamos a referir a palavra “transformacao”.

2Existem formas de transmitir energia eletrica sem fios, usando tecnologias avancadas, tais como ainducao direta ou a inducao magnetica ressonante. No entanto, nao existem ainda aplicacoes comerciaisdestas tecnologias para potencias elevadas, principalmente devido ao seu baixo rendimento – apenas umapequena parte da energia transmitida e recebida pelo recetor.

3O nome correto e “intensidade de corrente”, mas por facilidade de linguagem usaremos apenas apalavra “corrente”.

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Conceito Geral

esta razao que os fios condutores aquecem quando sao percorridos por correntes eletricas.A tensao pode ser entendida como uma medida da energia que e necessario fornecer paramanter a corrente. Existe ainda uma terceira grandeza, chamada potencia, que envolve oproduto da tensao pela corrente.

Para representar a tensao usam-se, normalmente, as letras V ou U , sendo o Volt (V) aunidade do Sistema Internacional (SI) em que se mede a tensao. Quanto a corrente, elarepresenta-se pela letra I e mede-se em Ampere (A). A potencia mede-se em Volt-Ampere(VA)4 e representa-se pela letra S.

1.1.2 Requisitos

O funcionamento do SEE e bastante complexo, por diversas razoes, a principal das quaise a necessidade de obedecer a uma condicao essencial: a producao de energia eletrica temde igualar, em cada instante, exatamente o consumo verificado nesse instante, adicionadodas perdas observadas na transmissao da energia eletrica. A satisfacao desta condicao eessencial, uma vez que as caracterısticas da energia eletrica nao a tornam adequada a serarmazenada.

Na verdade, a energia eletrica pode ser armazenada, utilizando, para o efeito, as conhe-cidas baterias. No entanto, a quantidade de energia eletrica que e possıvel armazenarem baterias e mınima, quando comparada com os movimentos de energia associados asatisfacao do consumo de um paıs. Nao sendo possıvel armazenar energia na sua formaeletrica, a condicao referida tem de ser assegurada em cada instante.

Apesar de se usarem tecnicas avancadas de previsao dos consumos, e evidente que a suaeficacia nao pode ser total, pelo que a utilizacao de sofisticados sistemas de controlo eessencial, nao so para regular a energia fornecida pelas centrais eletricas com essa capaci-dade, como tambem para gerir o transito de energia nas interligacoes eletricas que unemPortugal e Espanha.

Alem deste requisito fundamental, que envolve a operacao de todo o SEE, existem aindaoutros requisitos de segunda ordem, mas tambem importantes:

• A energia eletrica deve ser fornecida em qualquer local onde seja solicitada.

• A energia eletrica deve obedecer a criterios de qualidade: frequencia constante,tensao controlada, forma de onda sinusoidal, fiabilidade elevada5.

• Os custos de producao devem ser minimizados.

• O impacte ambiental deve ser contido.

1.1.3 Estrutura e componentes

Na Figura 1.1 mostra-se um esquema ilustrativo da estrutura de um SEE.

4Os multiplos das unidades sao: kilo (k) = 103; Mega (M) = 106; Giga (G) = 109; Tera (T) = 1012,e os submultiplos sao: mili (m) = 10−3; micro (µ) = 10−6; nano (n) = 10−9; pico (p) = 10−12.

5Veremos, mais tarde, o significado destes conceitos.

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O Sistema de Energia Eletrica

Figura 1.1: Estrutura do Sistema de Energia Eletrica (SEE); Fonte: J.P. Sucena Paiva, Redesde Energia Eletrica: Uma Analise Sistemica, IST Press, 2007.

A energia eletrica e produzida em tres tipos de infraestruturas, ordenadas por nıvel depotencia:

• Centrais de grande potencia, da ordem das centenas ou um milhar de MVA. Estascentrais podem ser: termicas (ou termoeletricas), quando se processa a transfor-macao da energia termica associada a um combustıvel fossil, como o carvao, ou ogas natural, em energia eletrica; ou hıdricas (ou hidroeletricas), quando se apro-veita a energia potencial e cinetica associada ao curso de um rio. A localizacao dasunidades de producao termica e hıdrica esta concentrada em sıtios especificamenteselecionados para responder a condicionamentos de natureza infraestrutural (abas-tecimento de combustıvel, existencia de cursos de agua de refrigeracao), no caso dastermicas, e de natureza geografica (disponibilidade do recurso energetico primario,em condicoes de poder ser aproveitado), no caso das hıdricas.

• Centrais de media ou pequena potencia, da ordem das dezenas de MVA. Estas cen-trais podem ser: pequenas centrais hidroeletricas; eolicas, que aproveitam a energiado vento; fotovoltaicas, associadas a transformacao de energia da radiacao solar.Todas estas unidades de producao se designam por producao descentralizada, oudispersa6, pois nao se encontram concentradas em locais especıficos, antes se encon-tram distribuıdas em locais muito diversificados, escolhidos devido a abundancia dorecurso energetico primario.

• Centrais de muito pequena potencia, instaladas nos locais de consumo de energiaeletrica, no ambito das chamadas microgeracao e minigeracao, normalmente de ori-gem fotovoltaica. A microgeracao compreende unidades de producao instaladas noslocais de consumo domestico, com potencias da ordem das unidades de kVA; a mi-nigeracao esta associada a unidades de producao instalada nos locais de consumoindustrial, com potencias da ordem das dezenas ou centenas de kVA.

6O nome tecnico e Producao em Regime Especial (PRE).

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Opcoes Basicas

A energia produzida nas grandes centrais termicas e hıdricas e entregue a rede de trans-porte, composta por linhas aereas de Muito Alta Tensao (MAT). Esta tensao extrema-mente elevada e adequada para transportar a energia eletrica a grandes distancias, umavez que as perdas no transporte diminuem quando se aumenta a tensao. Sao os transfor-madores que permitem mudar o nıvel de tensao a que se efetua o transporte de energia,de modo a obter o nıvel otimo de perdas, do duplo ponto de vista tecnico e economico.

Tensoes muito elevadas nao sao adequadas para transportar a energia eletrica a um nıvelregional ou local, onde as distancias envolvidas sao menores. Para distancias relativamentepequenas nao e economicamente vantajoso usar MAT, porque os investimentos neste nıvelde tensao sao muito avultados. Assim, a energia eletrica e transferida para a rede dedistribuicao que funciona nos nıveis de tensao: Alta Tensao (AT), Media Tensao (MT) eBaixa Tensao (BT). As unidades de producao descentralizada encontram-se normalmenteligadas a rede de distribuicao em AT ou em MT. A microgeracao e a minigeracao estaoligadas na rede de distribuicao em BT.

1.2 Opcoes Basicas

O SEE foi desenvolvido a partir de tres opcoes basicas que foram tomadas no passadolongınquo: o SEE funciona em corrente alternada, a frequencia de 50 Hz7 e e trifasico.Vamos ver o que significam estes conceitos e as opcoes basicas que foram tomadas paraconvergir nesta solucao:

1.2.1 Corrente alternada / corrente contınua

Num sistema em corrente alternada8, as grandezas fundamentais variam no tempo se-guindo uma forma de onda sinusoidal; num sistema em corrente contınua9, estas grande-zas sao constantes no tempo. Os SEE funcionam, na sua esmagadora maioria, em correntealternada, o que quer dizer que as grandezas fundamentais podem ser representadas ma-tematicamente por um seno ou por um cosseno. A Figura 1.2 ilustra um exemplo davariacao no tempo da tensao e da corrente, num circuito em corrente alternada do SEE.

O perıodo da onda e 20 ms, o que significa que a forma de onda se repete ao fim de20 ms (mili segundo). O perıodo representa-se pela letra T e mede-se em segundo (s).Ao inverso do perıodo da-se o nome de frequencia, que se representa pela letra f e cujaunidade SI e o Hertz (Hz). No caso do SEE, tem-se:

T = 20× 10−3 s→ f =1

T= 50 Hz (1.1)

A frequencia ser 50 Hz significa que a forma de onda se repete 50 vezes num segundo.

7Em algumas partes do mundo, como no continente americano e em parte da Asia, usa-se 60 Hz, comose vera mais a frente.

8AC – Alternating current.9DC – Direct current.

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O Sistema de Energia Eletrica

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Co

rren

te (

A)

Ten

são

(V

)

Tempo (ms)

Tensão e corrente

V

I

Figura 1.2: Exemplo da tensao e da corrente num circuito de corrente alternada.

Uma outra grandeza importante e a frequencia angular, que se representa pela letra grega“omega” (ω) e se mede em rad/s. A relacao entre a frequencia e a frequencia angular e aseguinte:

ω = 2πf = 314 rad/s (1.2)

Como se pode observar na Figura 1.2, as grandezas fundamentais, tensao e corrente, temum valor maximo. No entanto, os aparelhos que medem as grandezas fundamentais, quesao os voltımetros e os amperımetros, normalmente, nao medem o valor maximo (max)das grandezas, mas sim um outro valor, designado valor eficaz (ef). O valor eficaz dasgrandezas e o que contribui, efetivamente, para a transferencia de potencia util entre doissistemas. Para grandezas de variacao sinusoidal, a relacao entre o valor maximo da tensaoe da corrente e o respetivo valor eficaz e:

Vmax =√

2VefImax =

√2Ief

(1.3)

Na Figura 1.2 deu-se um exemplo de variacao no tempo da tensao e da corrente em queestas duas grandezas se apresentavam em fase, isto e, as grandezas atingem os valoresmaximos ou anulam-se no mesmo instante de tempo. Em regra, isto nao se passa assim:a tensao e a corrente estao desfasadas, isto e, nao atingem o valor maximo ou anulam-se

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Opcoes Basicas

ao mesmo tempo. A corrente pode estar atrasada em relacao a tensao, isto e, atinge ovalor maximo depois de a tensao o ter atingido, ou pode dar-se a situacao contraria. NaFigura 1.3 representa-se o caso em que a corrente esta atrasada em relacao a tensao.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Co

rren

te (

A)

Ten

são

(V

)

Tempo (ms)

Tensão e corrente

V

I

Figura 1.3: Exemplo da corrente atrasada em relacao a tensao num circuito de correntealternada.

Em face do exposto, pode concluir-se que a tensao e a corrente podem expressar-se ma-tematicamente atraves de:

v(t) =√

2Vef sin (314t) V

i(t) =√

2Ief sin (314t− φ) A(1.4)

O angulo que se representa pela letra grega“fi”(φ) e o angulo de desfasagem entre a tensaoe a corrente. O cosseno deste angulo tem um papel importante nos SEE: ao cosseno doangulo φ da-se o nome de fator de potencia.

Para obter a potencia, o ponto de partida e o produto da tensao pela corrente. A potenciae, na realidade, representada atraves de um numero complexo, daı tomar o nome depotencia complexa. A parte real deste numero complexo chama-se potencia ativa, mede-se em Watt (W) e representa-se pela letra P ; a parte imaginaria e a potencia reativa,que se mede em volt-ampere-reativo (var) e se representa pela letra Q. Podemos entaoescrever que:

S = P + jQ (1.5)

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O Sistema de Energia Eletrica

E possıvel demonstrar que:

P = VefIef cosφQ = VefIef sinφ

(1.6)

Apenas em aplicacoes muito especıficas, como por exemplo, a transmissao de energiaeletrica a longuıssimas distancias, se justifica o uso da corrente contınua. No caso geral,sao tres as vantagens da corrente alternada sobre a corrente contınua e que justificam asua utilizacao generalizada:

• Maior simplicidade na construcao dos geradores e dos motores e maior segurancana sua exploracao.

• Maior facilidade na interrupcao da corrente.

• Facilidade em variar a tensao recorrendo ao uso de transformadores.

Em caso de perturbacoes no SEE, e muitas vezes necessario interromper a corrente, porexemplo, no caso de curto-circuitos: interromper uma corrente contınua e uma tarefamuito complicada; interromper uma corrente alternada e mais simples, ja que o processode interrupcao beneficia da passagem periodica por zero da corrente.

No entanto, o fator determinante para a generalizacao do uso da corrente alternada nosSEE e a que se mencionou em terceiro lugar. Ja vimos que para que a transmissao deenergia eletrica se faca com perdas reduzidas e necessario elevar a tensao, a qual tera deser reduzida a medida que nos aproximamos das instalacoes dos clientes. Esta funcao erealizada pelos transformadores. Acontece que estes equipamentos, de extrema utilidadepara o bom funcionamento do SEE, so funcionam em corrente alternada10.

1.2.2 50 Hz / 60 Hz

Nos paıses em que o SEE evoluiu de acordo com as tendencias que prevaleceram naEuropa usa-se a frequencia de 50 Hz. Nos Estados Unidos da America e nos paısestecnologicamente influenciados por este paıs usa-se a frequencia de 60 Hz. Esta divisao dasfrequencias de operacao do SEE e uma circunstancia infeliz, mas que hoje e irremediavel.Pode, todavia, perguntar-se porque razao nao se usam frequencias inferiores a 50 Hz ousuperiores a 60 Hz.

Nao se usam frequencias inferiores a 50 Hz porque produzem uma incomoda cintilacaona luz emitida pelas lampadas. Nao e conveniente usar frequencias superiores a 60 Hzporque as perdas nos circuitos magneticos crescem com a frequencia.

10Hoje em dia ja existem transformadores de corrente contınua que sao construıdos recorrendo a dis-positivos eletronicos de potencia. No entanto, ainda nao se fabricam para potencias elevadas.

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Organizacao

1.2.3 Numero de fases

O SEE e trifasico, isto e, quando se pretende transmitir energia eletrica de um emissorpara um recetor usam-se tres condutores. As vantagens do sistema trifasico relativamenteao monofasico, em que se usa apenas um condutor (e respetivo retorno para fechar ocircuito), podem ser encontradas ao nıvel da geracao, da transmissao e da utilizacao daenergia eletrica. Contudo, e ao nıvel da transmissao da energia eletrica que as vantagenssao mais evidentes, pelo que sera sobre a vantagem associada a transmissao de energiaque nos iremos debrucar.

Suponhamos que pretendemos transmitir a potencia P , entre um emissor e um recetor,localizados a uma distancia d. Para transmitir esta potencia precisamos de um condutorcom comprimento 2d, uma vez que e necessario assegurar um retorno, de modo a fechar ocircuito eletrico. Se, em vez de um condutor, usarmos tres condutores e o retorno se fizerpor um condutor unico (chamado neutro), precisamos de um condutor com comprimento4d, mas conseguimos transmitir uma potencia 3P . Isto significa que duplicamos o com-primento do condutor, mas triplicamos a potencia transmitida, o que e uma vantagemsignificativa. Acresce que, em muitas circunstancias, e possıvel suprimir o condutor deretorno, uma vez que, se o sistema for convenientemente equilibrado, ele e percorrido porcorrente nula. Nestas circunstancias, a economia e ainda maior: aumentamos o com-primento dos condutores em 50 % e triplicamos a potencia transmitida. Devido a estaeconomia assinalavel, os SEE sao, com poucas excecoes, trifasicos.

Sendo os sistemas trifasicos, podem definir-se duas tensoes: uma tensao simples, medidaentre uma fase e o neutro, e uma tensao composta, medida entre duas fases. A relacaoentre tensao simples (s) e tensao composta (c) e:

Vc =√

3Vs (1.7)

1.3 Organizacao

Habitualmente, o SEE divide-se nos seguintes cinco blocos: 1) Producao; 2) Transporte;3) Distribuicao; 4) Comercializacao; 5) Consumo.

1.3.1 Producao

A atividade de producao de energia eletrica e aberta a iniciativa privada, exercida emregime de livre concorrencia, mediante a atribuicao de licenca. O papel do Estado ecriar condicoes de desenvolvimento do mercado e monitorizar o sistema, para garantirabastecimento.

Centrais termicas

As centrais termicas podem ser de dois tipos: as convencionais e as de ciclo combinado.

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O Sistema de Energia Eletrica

Nas centrais termicas convencionais queima-se um combustıvel fossil, o carvao, para obterenergia termica. O calor, assim libertado na combustao do carvao, aquece agua quepercorre as tubagens, localizadas dentro da caldeira, fazendo com que a agua passe doestado lıquido ao estado de vapor. O vapor e encaminhado para uma turbina de vapor,empurrando as suas pas e obtendo energia mecanica (associada ao movimento das pas dorotor da turbina). Acoplado no mesmo veio onde roda a turbina, encontra-se um geradoreletrico, o qual transforma a energia mecanica em energia eletrica. Entretanto, o vapor earrefecido num condensador11, que obriga a agua a retornar ao estado lıquido. Esta aguae introduzida na caldeira e o processo e reiniciado (ver Figura 1.4).

Figura 1.4: Esquema de uma central termica convencional; Fonte: Kalipedia.

O rendimento, isto e, o quociente entre a energia eletrica obtida a saıda e a energia ter-mica colocada a entrada, das centrais termicas convencionais e baixo, da ordem dos 35%.Acresce que o carvao e um combustıvel extremamente poluente, contribuindo acentuada-mente para a emissao de gases nocivos para a atmosfera, os chamados gases de efeito deestufa. Por estas razoes, ha muitos anos que nao se constroem em Portugal, e na Europaem geral, centrais termicas convencionais.

A tecnologia do ciclo combinado a gas natural veio substituir a tecnologia do carvao.Nas centrais de ciclo combinado queima-se gas natural. Uma mistura de ar e dos gasesprovenientes da combustao empurra as pas de uma turbina de gas, a qual esta acopladoum gerador eletrico, de forma a obter energia eletrica a saıda, num processo similar aoque ocorre nas centrais termicas convencionais. O rendimento desta transformacao etambem baixo, da ordem dos 30%, o que significa que uma parte substancial da energiatermica colocada a entrada nao e convertida em energia eletrica. A energia termicadisponıvel e entao encaminhada para uma caldeira onde se obtem vapor por aquecimentode agua que percorre as tubagens existentes nesta segunda caldeira. O vapor assim obtidoe encaminhado para uma segunda turbina, esta de vapor, a qual aciona um segundogerador eletrico, de forma a obter mais energia eletrica(ver Figura 1.5). Repare-se queesta tecnologia opera com dois ciclos: o ciclo do gas e o ciclo do vapor, daı o seu nome deciclo combinado.

11Nao confundir com os condensadores eletricos, que tem inumeras aplicacoes em sistemas de energia,e que sao dispositivos capazes de armazenar energia eletrica.

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Organizacao

Figura 1.5: Esquema de uma central termica de ciclo combinado; Fonte: Sagan-gea.

O rendimento total do processo, isto e o quociente entre a energia termica colocada aentrada na combustao do unico combustıvel, o gas natural, e a energia eletrica obtidaa saıda no conjunto dos dois geradores, e agora bem mais elevado, da ordem dos 55–60%. O gas natural e um combustıvel menos poluente do que o carvao, tipicamente apoluicao originada pelas emissoes associadas a queima de gas natural e cerca de metade dasreferentes ao carvao. Por esta razao, todas as centrais termicas instaladas em Portugal,e na Europa, nos ultimos anos usam esta tecnologia.

Centrais hıdricas

Nas centrais hıdricas aproveita-se o desnıvel existente entre dois pontos do leito de umrio e o caudal de agua, isto e, o volume de agua que atravessa uma determinada area,na unidade de tempo, para empurrar as pas de uma turbina hidraulica e obter, depois,energia eletrica atraves de um gerador eletrico12 montado no mesmo veio da turbina (verFigura 1.6).

O rendimento deste processo e bem mais elevado do que o das centrais termicas, daordem dos 80%. Acresce que a producao de energia eletrica e conduzida com recurso auma fonte primaria renovavel, o que torna estes empreendimentos extremamente valiosos.O problema das centrais hıdricas e que nao podem ser colocadas em qualquer lugar, antesrequerem a existencia de condicoes geograficas adequadas para a sua instalacao.

Existem dois tipos de centrais hıdricas: as de fio-de-agua e as de albufeira. Nas centraisde fio-de-agua, o recurso e aproveitado na exata medida da sua disponibilidade, isto e,as condicoes geograficas do local nao permitem o armazenamento de agua: quando orecurso e insuficiente, a central para; quando o recurso excede a potencia da central, oexcedente e desperdicado. As centrais com albufeira sao muito mais valiosas; a albufeira e

12Os geradores das centrais hıdricas, e tambem das centrais termicas, sao do tipo designado por sın-crono. Os geradores sıncronos chamam-se alternadores.

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O Sistema de Energia Eletrica

Figura 1.6: Esquema de uma central hıdrica; Fonte: electricenergyiespn.

um reservatorio natural, proporcionado pela existencia de condicoes geograficas propıcias,que permite armazenar a agua afluente. Consegue-se, deste modo, uma gestao otimizadado recurso hıdrico, pois a central pode funcionar mesmo em perıodos de seca, recorrendoa agua armazenada em perıodos de abundancia.

Centrais eolicas

Os aproveitamentos eolicos transformam a energia cinetica associada a velocidade dovento em energia mecanica, obtida atraves da rotacao das pas do rotor da turbina eolica.Mais uma vez, no veio onde roda a turbina eolica esta instalado um gerador eletrico13, oqual permite obter energia eletrica (ver Figura 1.7).

O rendimento dos geradores eolicos depende da velocidade do vento a que estao a operar,mas situa-se, tipicamente, na casa dos 35–40%. Naturalmente que a valia dos geradoreseolicos resulta de usarem um recurso renovavel, isento de emissoes nocivas. A sua prin-cipal desvantagem relaciona-se com a incapacidade de regularem a potencia fornecida,ao contrario das centrais termicas e hıdricas de albufeira que possuem essa capacidade.Este problema e importante, na medida em que para conseguir balancear a geracao como consumo, condicao essencial ao funcionamento do SEE, como ja vimos, e necessariacapacidade de regulacao da potencia gerada nas centrais eletricas.

Uma area onde se estao a verificar evolucoes assinalaveis e na instalacao de geradores eoli-cos no mar, o chamado offshore. O motor do desenvolvimento do offshore e a progressivaexaustao dos locais com caracterısticas ideais em terra, a prazo, e o benefıcio de regimesde ventos mais uniformes. Em Portugal esta instalada uma unidade de demonstracao detecnologia, ao largo da Povoa do Varzim, a 6 km de terra e 60 m de profundidade – oprojeto WindFloat (ver Figura 1.8).

13Os geradores que equipam as unidade de producao eolica sao, na sua maioria, de um tipo distintodos que equipam as centrais termicas e hıdricas. Os geradores eolicos sao do tipo assıncrono, tambemconhecidos por geradores de inducao.

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Organizacao

Figura 1.7: Esquema de um gerador eolico; Fonte: Nordex.

Figura 1.8: Gerador eolico offshore em Portugal – projeto WindFloat; Fonte: EDP.

Centrais fotovoltaicas

O princıpio de funcionamento das centrais ja abordadas – termicas, hıdricas e eolicas –e semelhante, baseado sempre na existencia de um grupo turbina-gerador. As centraisfotovoltaicas configuram um princıpio de funcionamento completamente diferente, poisnao existe, nem turbina, nem gerador.

Os paineis fotovoltaicos sao constituıdos por um material – o silıcio –, o qual, depois deconvenientemente tratado, possui caracterısticas especiais, quando e colocado ao sol. Os

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O Sistema de Energia Eletrica

fotoes, que sao as partıculas constituintes da radiacao solar, deslocam os eletroes do silıciopara uma banda de conducao, onde adquirem a capacidade de se movimentarem e, assim,gerarem uma corrente eletrica. Esta corrente eletrica e contınua, pelo que a ligacao dospaineis fotovoltaicos a uma rede eletrica de corrente alternada requer a instalacao de umdispositivo de interface. Tal dispositivo designa-se por inversor, o qual transforma correntecontınua em corrente alternada, recorrendo a dispositivos eletronicos de potencia14 (verFigura 1.9).

Figura 1.9: Esquema de uma central fotovoltaica; Fonte: Unesa.

Historicamente, a energia fotovoltaica apresentava duas desvantagens: o custo elevadoe o baixo rendimento. O custo dos paineis fotovoltaicos tem vindo a descer, de formasustentada, nos ultimos anos, estando, hoje em dia, proximo dos valores praticados paraos conversores eolicos. Quanto ao rendimento, os avancos nao foram tao espetaculares,situando-se em valores da ordem de 10–15%, valores estes que nao sofreram grandesalteracoes nos ultimos anos.

Centrais de cogeracao

As centrais de cogeracao sao centrais termicas de pequena potencia, em que energia ter-mica que nao pode ser convertida em energia eletrica e usada numa aplicacao util. Apli-cacoes uteis sao, por exemplo, aquecimento de agua para climatizacao de espacos (aque-cimento e refrigeracao, num processo conhecido como trigeracao), ou calor necessario emprocessos industriais.

1.3.2 Transporte

A atividade de transporte de energia e exercida no modo de concessao exclusiva e emregime de servico publico. O concessionario da Rede Nacional de Transporte (RNT) e a

14A eletronica de potencia teve um desenvolvimento assinalavel nos ultimos anos, sendo, hoje em dia,correntemente utilizada para otimizar a ligacao das fontes de energia renovavel (principalmente eolica efotovoltaica) a rede eletrica.

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Organizacao

Redes Energeticas Nacionais (REN – www.ren.pt). A REN exerce tambem a funcao deoperador do sistema, a quem cabe a gestao tecnica global do SEE. Pelo uso da RNT, aREN recebe uma tarifa, que e regulada pela Entidade Reguladora dos Servicos Energeticos(ERSE – www.erse.pt).

A RNT e composta pela rede de MAT (ver Figura 1.10). Em Portugal existem tres nıveisde tensao MAT: 400 kV, 220 kV e 150 kV15. A rede de transporte e constituıda quaseexclusivamente por linhas aereas, englobando apenas alguns trocos em cabo subterraneo,explorados a 220 kV e 150 kV, nomeadamente na regiao da Grande Lisboa.

Figura 1.10: Rede Nacional de Transporte (RNT); Fonte: REN.

Na RNT existem transformadores para adaptar os nıveis de tensao no interior da RNT(MAT/MAT) e transformadores para fazer a interface entre a RNT e a RND em AT(MAT/AT). Os transformadores estao alojados nas chamadas subestacoes.

1.3.3 Distribuicao

A atividade de distribuicao de energia e exercida no modo de concessao exclusiva e emregime de servico publico. O concessionario da Rede Nacional de Distribuicao (RND) ea Energias de Portugal – Distribuicao (EDP-Distribuicao – www.edpdistribuicao.pt). A

15Estes numeros representam o valor eficaz da tensao composta. Alias, sempre que nos referimos a umatensao atraves de um numero, estamos sempre a referirmo-nos ao valor eficaz da tensao composta.

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O Sistema de Energia Eletrica

EDP-Distribuicao exerce tambem a funcao de operador da rede de distribuicao, a quemcabe a exploracao e manutencao da RND e gerir os fluxos energeticos. Pelo uso da RND,a EDP-Distribuicao recebe uma tarifa, que e regulada pela ERSE.

A RND e constituıda pelas linhas aereas (80%) e cabos subterraneos (20%) que operamnos nıveis de AT e de MT. Em Portugal, usam-se as tensoes de 60 kV em AT, e de30 kV, 15 kV e 10 kV em MT. Alem das linhas e cabos, as redes de distribuicao saoainda constituıdas por subestacoes, postos de seccionamento, postos de transformacao(onde estao alojados os transformadores MT/BT) e equipamentos acessorios ligados asua exploracao. A Figura 1.11 mostra um segmento da RND em AT.

Figura 1.11: Segmento da Rede Nacional de Distribuicao (RND) em AT; Fonte:EDP-Distribuicao.

A rede de BT e uma concessao municipal. A EDP-Distribuicao e a titular da grandemaioria destas concessoes, existindo, no entanto, alguns pequenos operadores, localizadosno norte do paıs. A tensao de operacao da rede BT e 400 V. Em BT usa-se tambem atensao de 230 V, que e a tensao simples correspondente.

1.3.4 Comercializacao

A atividade de comercializacao de energia e uma atividade separada da distribuicao,constituindo a ultima atividade na cadeia de fornecimento de energia aos consumidores.E uma atividade livre, sujeita a atribuicao de uma licenca; em Portugal, existem diversoscomercializadores de energia eletrica, que operam no ambito do mercado da energia.

O mercado da energia e o Mercado Iberico da Energia Eletrica (MIBEL), onde os produ-tores fazem ofertas de venda e os comercializadores fazem ofertas de compra. O preco da

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Organizacao

energia resulta do equilıbrio entre a oferta e a procura e varia de hora para hora, apesarde as tarifas que os clientes pagam nao refletir ainda esta variacao horaria.

O comercializador e o representante dos seus clientes no mercado. Ele compra energiaeletrica, ao preco de mercado, e vende-a aos seus clientes. Como esta operacao de comprae venda requer o uso da rede de transporte e da rede de distribuicao, os clientes tem depagar uma tarifa de utilizacao das redes.

Fora do ambiente de mercado, esta tambem consagrada, para protecao dos consumidores,a figura do Comercializador de Ultimo Recurso (CUR), cuja finalidade e servir de garantedo fornecimento de eletricidade aos consumidores, nomeadamente os mais frageis e os quenao pretendem aderir ao regime de mercado.

1.3.5 Consumo

Os consumidores de energia domesticos estao ligados na rede de BT. Os grandes con-sumidores podem ligar-se diretamente na rede MAT ou na rede AT; os consumidoresindustriais encontram-se ligados no nıvel de MT.

O diagrama de carga e a representacao da potencia de carga16 em funcao do tempo.Os diagramas de carga fornecem informacao especialmente importante, pois permitemtambem determinar a ponta (valor maximo) e a energia consumida (area sob a curva dodiagrama de carga). Na Figura 1.12 apresenta-se o diagrama de carga da rede portuguesanos dias em que a potencia pedida a rede atingiu o seu maximo anual, nos anos de 2010e 2011.

Figura 1.12: Diagrama de carga nos dias de ponta anual, em 2010 e 2011; Fonte: REN.

16A palavra “carga” e muitas vezes usada como “potencia de consumo”.

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O Sistema de Energia Eletrica

1.4 Conclusoes

Neste capıtulo apresentou-se o Sistema de Energia Eletrica (SEE) e os seus princıpiosbasicos de funcionamento. O SEE e um sistema de elevada complexidade, governadopor uma restricao fundamental: em cada instante, a producao tem de igualar o consumoadicionado das perdas na transmissao. No passado, o sistema de geracao era compostopor centrais de producao concentrada e controlada. No entanto, ao longo dos anos,a estrutura do sistema eletroprodutor tem vindo a sofrer alteracoes assinalaveis, como aparecimento de geracao distribuıda, constituıda por muitas unidades de producaode pequena potencia distribuıdas ao longo da rede, em geral dependentes de recursosrenovaveis nao controlaveis, como o sol e o vento. Esta alteracao estrutural esta a motivaruma mudanca de paradigma, de um sistema conduzido em funcao do consumo, para umsistema conduzido em funcao da geracao. A descoberta das melhores estrategias paralidar com o novo paradigma, que se afigura irreversıvel, e uma tarefa desafiante.

O capıtulo discutiu as razoes que estiveram por tras das opcoes fundamentais tomadas:corrente alternada e nao corrente contınua; 50 Hz e nao 60 Hz; trifasico e nao monofa-sico. Ainda neste capıtulo, apresentou-se cada um dos cinco blocos que constitui o SEE:producao, transporte, distribuicao, comercializacao e consumo. Ao nıvel do sistema ele-troprodutor, abordou-se o princıpio de funcionamento das centrais termicas convencionais,das centrais termicas de ciclo combinado, das centrais hıdricas, das centrais eolicas e dascentrais fotovoltaicas. Distinguiu-se a rede de transporte, que funciona no nıvel de tensaoMAT, da rede de distribuicao, que funciona nos nıveis de AT, MT e BT. Esclareceu-seo papel dos comercializadores como representantes dos clientes no mercado da energiaeletrica. Finalmente, introduziu-se o conceito de diagrama de carga, como forma de re-presentacao do consumo de energia eletrica.

As materias apresentadas de forma superficial neste capıtulo sao aprofundadas nas Uni-dades Curriculares (UC) da area de especializacao de Energia do curso de Mestrado emEngenharia Eletrotecnica e de Computadores (MEEC) do Instituto Superior Tecnico. Nasdiversas UC (ou “cadeiras”, na gıria popular) do perfil de Energia estudam-se, tanto doponto de vista da teoria subjacente, como das diversas aplicacoes praticas, os seguintestopicos, entre outros:

• Os sistemas eletroprodutores convencional e de base renovavel, e o seu impacto noplaneamento e exploracao do SEE.

• O funcionamento da rede de transporte em regime normal, incluindo os instrumentosde calculo computacional que permitem determinar as principais grandezas carac-terısticas: tensoes, correntes e potencias, e da rede de distribuicao, nomeadamente,aspetos relacionados com o seu planeamento e operacao, e o projeto e calculo dasinstalacoes e equipamentos associados.

• A atividade dos mercados energeticos (eletricidade e gas) e as correspondentes tran-sacoes efetuadas.

• As caracterısticas e previsao dos consumos de energia eletrica.

• Os algoritmos e metodologias avancadas de controlo, regulacao e protecao do SEE,que permitem o seu funcionamento eficiente e economico.

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Conclusoes

• O comportamento do SEE em regime transitorio, isto e, na sequencia de perturba-coes, como sejam, por exemplo, curto-circuitos, manobras de orgaos de protecao,descargas eletricas.

• As maquinas eletricas, tais como, os transformadores, os geradores, que equipam ascentrais produtoras, e os motores, presentes nas instalacoes de utilizacao da energiaeletrica, e os aspetos relacionados com o seu comando e regulacao.

• Os modernos conversores eletronicos de potencia, que fazem a interface entre osequipamentos e o SEE, melhorando os rendimentos e otimizando a exploracao dosmesmos.

Rui Castro e doutorado em Engenharia Eletrotecnica ede Computadores, professor auxiliar da Area Cientıfica deEnergia do Departamento de Engenharia Eletrotecnica e deComputadores do Instituto Superior Tecnico (IST) e investi-gador senior do INESC-ID; e responsavel da disciplina“Ener-gias Renovaveis e Producao Descentralizada” dos cursos deMestrado em Engenharia Eletrotecnica e de Computadorese Mestrado em Engenharia e Gestao de Energia do IST; eautor dos livros “Uma Introducao as Energias Renovaveis”e “Exercıcios de Redes e Sistemas de Energia Eletrica”, pu-blicados pela ISTPress, e autor de mais de uma centena de

artigos em revistas e conferencias nacionais e internacionais; no ambito da atividade deinvestigacao, participou em diversos projetos de colaboracao com empresas, designada-mente com a REN, EDP, EDA, EEM, AREAM e ERSE.

Duarte M. Sousa nasceu Viana do Castelo, Portugal, in1970. Obteve os graus de Licenciado, Mestre e Doutor emEngenharia Eletrotecnica e de Computadores pelo InstitutoSuperior Tecnico em 1993, 1996 e 2003, respetivamente. Edocente no Instituto Superior Tecnico desde 1993, com acategoria de Prof. Auxiliar desde 2003. E investigador noINESC-ID. Tem como interesses cientıficos principais a con-versao eletromecanica de energia, o equipamento de RMNde campo cıclico rapido e os veıculos eletricos.

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