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Sistemas de energia e
redes eléctricas do futuro
Duarte Mesquita Sousa
Instituto Superior Técnico
Universidade de Lisboa
Portugal
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Sumário
Redes inteligentes
Veículos Eléctricos
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Rede inteligente/”Smart grid”
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Rede inteligente/”Smart grid”
• O termo rede inteligente ("smart grid") está
associado à modernização dos sistemas
de transmissão e distribuição de energia
eléctrica das redes eléctricas.
• O uso deste termo não tem um significado
único para a indústria, as entidades
governamentais ou a população em geral.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Novas tecnologias:
– comunicações
– sensores
– sistemas de controlo em todos os níveis da
rede eléctrica.
Crescimento do consumo de energia
eléctrica.
Perfil do consumidor.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Características de uma rede inteligente:
1. Aumento do uso da informação digital e controlo da
tecnologia para melhorar a fiabilidade, a segurança, e
a eficiência da rede eléctrica.
2. Optimização dinâmica das operações e recursos da
rede, com total segurança ao nível cibernético.
3. Implementação e integração de recursos e geração
distribuídos, incluindo os recursos energéticos
renováveis.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Características de uma rede inteligente:
4. Implementação de “tecnologias inteligentes” (em
tempo real, automatização, tecnologias interactivas e
optimização do funcionamento dos electrodomésticos
e de outros dispositivos eléctricos) para medição,
comunicações sobre operações e estado da rede e
distribuição automatizada.
5. Integração de aparelhos eléctricos “inteligentes”.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Características de uma rede inteligente:
6. Implementação e integração de sistemas avançados
de armazenamento de energia e tecnologias de
limitação dos picos de consumo, incluindo e veículos
eléctricos híbridos e com recarregamento pela rede, e
armazenamento de energia térmica.
7. Manter e actualizar a informação junto dos
consumidores.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Características de uma rede inteligente:
8. Desenvolvimento de protocolos de comunicação e
interoperabilidade de aparelhos e equipamentos
ligados à rede eléctrica, incluindo a infra-estrutura que
serve de rede.
9. Identificar e eliminar as barreiras à adopção de
tecnologias de rede, práticas e serviços “inteligentes”.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Modelo conceptual de uma rede
inteligente:
– Grandes sistemas de geração
– Transmissão
– Distribuição
– Consumidores
– Operação
– Mercado
– Fornecedores de serviços
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Rede inteligente/”Smart grid”
• Uma rede inteligente é um grande "sistema de
sistemas", onde cada domínio da rede inteligente
que pode ser dividido três camadas fundamentais:
i) Energia
ii) Comunicações
iii) Tecnologias da informação
• As camadas ii) e iii) possibilitam aceder às
plataformas da infra-estrutura da camada Energia
contribuindo para que a rede de energia seja
"mais inteligente".
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Grandes sistemas de geração”:
- fontes de energia (em grandes quantidades)
Renováveis variáveis:
solar e eólica.
Renovável não variável:
hídrica, a biomassa,
a geotérmica e
centrais de bombagem.
Não-renovável não variável:
nuclear, o carvão e o gás.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Transmissão”:
- permite transportar grandes quantidades de
energia, a tensão elevada (150, 220 e 400 kV no
caso português), desde os sistemas de geração até
às subestações das redes de distribuição.
o Fiabilidade
o Continuidade de serviço
o Segurança do abastecimento de energia eléctrica (falhas
no fornecimento, “apagões”)
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Distribuição”:
– distribui a energia eléctrica de e para os
clientes finais da rede inteligente.
o Sistemas de medida inteligentes
o Comunicações: sem fio
ou rede telefónica fixa.
o Instalações distribuídas de
armazenamento de energia
o Fontes alternativas
distribuídas de energia
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Consumidores”:
- utilizadores finais de energia eléctrica
(residencial, comercial e industriais)
o Trânsito de energia eléctrica
e redes de comunicações
bidireccionais
(Consumir, gerar e armazenar).
VEÍCULOS ELÉCTRICOS
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Operação”:
- gere e controla o fluxo de energia
eléctrica de todos os outros domínios na rede
eléctrica inteligente.
o rede de comunicações dedicada
o monitoriza, controla e supervisiona
as informações e decisões
necessárias ao funcionamento
das redes eléctricas desde a
geração até ao consumidor final.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Mercado”:
-opera e coordena todos os intervenientes
nos mercados de electricidade da rede
inteligente.
o Interage com todos
os outros domínios
o Informações sobre
facturação da energia a
um veículo com
recarregamento pela rede.
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Rede inteligente/”Smart grid”
• “Fornecedores de serviços”:
- controla todas as operações de terceiros,
entre os vários domínios.
o Portais “web”
o Serviços de gestão
eficiente da energia
o Qualidade do fornecimento
da energia
o Interrupções no fornecimento
o Anomalias
o Serviços de manutenção da rede
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Rede inteligente/”Smart grid”
• O
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Veículos Eléctricos
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Exemplos de veículos eléctricos
Fontes: www.mitsubishi-motors.pt/; www.renault.pt; www.teslamotors.com; www.nissan.pt; www.opel.pt; www.alstom.com;
www.siemens.com; www.tecnobus.it; www.electric-bikes.com/; solarimpulse.com; ecoble.com; http://www.bateau-electrique.com/.
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• Os veículos que recorrem a motores eléctricos
para auxiliar a sua tracção são denominados por
veículos eléctricos.
Mas …
As cadeias de tração podem não ser 100%
eléctricas!
- Veículos eléctricos a baterias (BEV - Battery Electric
Vehicle).
- Veículos eléctricos híbridos (HEV - Hybrid Electric Vehicle).
Veículos Eléctricos
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• Os veículos eléctricos a baterias (BEV) têm um
sistema de tracção integralmente eléctrico.
• O desenvolvimento dos veículos eléctricos está
associado aos sistemas de armazenamento de
energia (armazenamento e recarregamento).
Veículos híbridos com recarregamento pela rede
(PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle)
Veículos Eléctricos
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• Esquema simplificado de um BEV:
Veículo Eléctrico - BEV
Motor Elétrico
Sistema de armazenamento
de energia
Conversor Eletrónico
Conversor Eletrónico
“Acelerador”
Bateria(auxiliar)
Outros componentes do VE
Rede Elétrica/Fonte de energia
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• Os veículos híbridos apresentam diferentes
topologias de interligação entre o sistema
propulsor a combustão e o sistema propulsor
eléctrico:
- a topologia série;
- a topologia paralelo;
- a topologia série-paralelo.
Veículo Eléctrico Híbrido - HEV
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• Topologia série:
Veículo Eléctrico Híbrido - HEV
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• Topologia paralela:
Veículo Eléctrico Híbrido - HEV
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• Topologia série-paralela:
Veículo Eléctrico Híbrido - HEV
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Veículo eléctrico - PHEV
• Os veículos plug-in apresentam múltiplas
vantagens em relação aos veículos híbridos
comuns.
o Carregamento das baterias a partir da rede eléctrica
e não através do motor de combustão interna (custo
kWh e disponibilidade).
o Vantagem ambiental (carregamento nas horas de
vazio)
o Autonomia
o Redução de emissões de gases poluentes.
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Veículo eléctrico - PHEV
• Com os veículos híbridos plug-in surge o
conceito de ligação bidireccional entre a rede
eléctrica e o veículos.
o Vehicle to Grid - V2G: o veículo tem possibilidade
de receber e fornecer energia à rede (“Smart grid”)
Forma de armazenar energia eléctrica proveniente de
sistemas de geração renováveis (geração incerta e de
difícil previsão) em períodos do dia em que os consumos
são menores (horas de vazio).
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Veículo Eléctrico Híbrido - HEV
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• O motor a gasolina pode ser desligado sempre
que o carro pare, encoste ou trave, sem que os
dispositivos electrónicos deixem de funcionar.
• O motor pode ser arrancado rapidamente sem
grande poluição.
• O motor eléctrico pode recuperar energia
durante a travagem e desaceleração.
O que significa “PHEV-20”?
E “PHEV-32km”?
Veículos Híbridos
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Vantagens dos veículo
eléctricos
• Eficiência energética
• Redução das emissões de gases estufa
• Custos de Operação
• Tecnologia veículo-rede
• Carregamento no domicílio ou no local
de trabalho
• Facilidade na obtenção da energia
• Produção de energia eléctrica em casa
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Desvantagens dos veículos
eléctricos
• Embora os PHEV’s reduzam o consumo de gasolina, pode não significar a redução da emissão de gases estufa.
• O custo da aquisição de um veículo PHEV é bastante elevado.
• As baterias mais vulgares são pesadas e de grande dimensão.
• Requer implementação e disponibilização de locais para recarregamento.
• Aumento do consumo de energia eléctrica.
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Veículos eléctricos
Mas…
Existem muitos Veículos Eléctricos em circulação?
ARMAZENAMENTO DE ENERGIA
&
SISTEMA DE CARREGAMENTO
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Veículos eléctricos –
Carregamento indutivo
• Carregamento sem fios:
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Veículos eléctricos –
Carregamento indutivo
• No exterior do veículo, existem:
- o “controlador de carga”, que tem como
constituinte principal um conversor electrónico de
potência.
- o “indutor”, que faz conjunto com o bloco
captura de energia, possibilita que a energia seja
transferida, por indução magnética, do exterior
para o interior do veículo.
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Veículos eléctricos –
Carregamento indutivo
• No interior do veículo:
- “Conversor AC/DC”, que permite fazer a
conversão de energia fornecida pela rede eléctrica exterior
ao veículo para que a mesma possa ser usada para
carregar as baterias.
- “Sistema de gestão de energia”, que permite gerir
os fluxos de energia nos diversos modos de operação do
veículo (aceleração, desaceleração, velocidade de
cruzeiro, carregamento, etc).
- “Baterias”, que representam
o sistema de armazenamento
de energia embarcado no veículo.
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Veículos eléctricos –
Carregamento indutivo
• Sistema com elevada complexidade
• O conversor electrónico de potência que integra
este bloco pode basear-se em diversas
topologias e com complexidade distintas.
• Os sistemas no interior do veículo não são
exclusivos deste modo de carregamento sem
fios. Integram o sistema de tracção em várias
funcionalidades.
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Armazenamento de energia
• Baterias
• Pilhas de combustível
• Volantes de inércia
• Condensadores/ Supercondensadores
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- Ácido - chumbo
- Níquel - hidretos metálicos
- lítio: iões e polímero
- nano titanato
- Níquel – cádmio
- Zebra (Sódio – Cloreto de níquel)
Fontes: www.panasonic.pt; www.autosil.pt; www.varta.pt; www.varta-automotive.com;
www.altairnano.com.
Baterias
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O comportamento de uma bateria não é linear e
varia pelas seguintes razões:
Estado de carga (SOC)
Capacidade de armazenamento da bateria
Taxa de carga/descarga
Temperatura
Idade da bateria
Reacções químicas secundárias que se dão
internamente
Baterias
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• Uma PILHA DE COMBUSTÍVEL é um dispositivo que
converte energia química de um combustível (hidrogénio,
gás natural, metanol, gasolina, …) e um oxidante (ar ou
oxigénio) em energia eléctrica.
Fonte:
wikipedia.org
Fontes: Ac. Energia/ IST;
www.ballard.com.
Fonte
: h
ttp://w
ww
.me
rcedes-b
enz.c
om
Pilha de combustível
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• Os volantes de inércia são sistemas complexos onde a
energia é armazenada mecanicamente (energia cinética).
• A energia é trocada com o volante de inércia através de
uma máquina eléctrica
(motor/gerador).
Fonte: Schouler, Adrien; Sapin, Julien; Kluyskens, Virginie; Labrique, Francis;
Dehez, Bruno; “Study and control of magnetic bearing for flywheel energy storage
System”, POWERENG’07 Conference, 2007.
Volantes de inércia
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Os supercondensadores (ou
ultracondensadores) têm uma densidade
energética muito superior aos condensadores.
Fontes: www.abb.com; www.elna.com.
Supercondensadores
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Principais características:
• Densidade de potência elevada
• Reduzida resistência série
• Ciclos de carga/descarga ilimitados
• Baixa tensão nominal
• A energia utilizável é 75%
do total armazenado
• Integração com fontes de energia principais
• Fornecimento de picos de potência pedidos
pela carga Fonte
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a.c
om
.
Supercondensadores
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Supercondensadores
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Supercondensadores
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Supercondensadores
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Máquinas eléctricas
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Fontes: AC. Energia/IST; A. Roque.
Kart eléctrico
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Fontes: AC. Energia/IST; A. Roque.
Kart eléctrico
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Sistema central
Pontos de carregamento
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1.Carregament
o Doméstico
2. Carregamento
“Normal”
3. Carregamento
“Rápido”
Potência Máxima 3,7 kW Até 22/43 kW Até 240 kW (DC)
Até ~220 kW (AC)
Duração
da carga
10 kWh ~ 3h 15-30 min < 5 min
20 kWh ~ 5,5 h 30-60 min ~ 5 min
30 kWh ~ 11 h 60-120 min ~ 10 min
4
Modos de carregamento
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Carregamento Modo 1: Fixo,
tomada/ficha não dedicada
Fonte
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. C
asim
iro.
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Carregamento Modo 2: Tomada/ficha não
dedicada com dispositivo de proteção
incorporado no cabo
Fonte
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san.c
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Carregamento Modo 3: Fixo, tomada/ficha
dedicada com dispositivo de protecção
incorporado no cabo
Modo 3:
Fichas e
Tomadas
Tipo 1
“Yazaki”
Tipo 2 “Mennekes” Tipo 3
“Scame”
N.º Fases Monofásica Monofásica/trifásica
Monofásica/trifásica
Corrente 32 A 70 A (Monofásica)
63 A
32 A
Tensão 250 V 500 V 500V
N.º Pinos 5 (Fase, Neutro,
Terra, Detector de
inserção e Piloto
de controlo)
7 (3 Fases, Neutro,
Terra, Detector de
inserção e Piloto de
controlo)
5 ou 7 (1 ou 3
Fases, Neutro, Terra,
Detector de inserção
e Piloto de controlo)
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Carregamento Modo 4: Modo de
carregamento externo em CC
Fonte
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san.c
om
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. C
asim
iro.
![Page 59: Sistemas de energia e redes eléctricas do futuro · redes eléctricas - electrificação dos sistemas de transporte - casas inteligentes - conversão electrónica de energia “adiabática”](https://reader030.fdocumentos.tips/reader030/viewer/2022021505/5ac0c63e7f8b9a433f8c1e17/html5/thumbnails/59.jpg)
Electrónica de potência
• A electrónica de potência é um dos
aspectos importantes tanto no conceito de
rede inteligente como nos veículos
eléctricos.
• Conversores electrónicos de potência: são
constituídos por dispositivos
semicondutores de potência que
transformam ou regulam a energia eléctrica
entre dois circuitos.
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• Conversor AC/DC
- usado no carregamento de baterias, por
exemplo.
• Conversor DC/DC
- usado para alimentar motores de corrente
contínua, por exemplo.
• Conversor AC/DC/AC
- usado na alimentação de motores de corrente
alternada (síncronos e assíncronos), por exemplo.
Electrónica de potência –
tipos de conversores
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Electrónica de potência
• Desenvolvimentos futuros na electrónica de potência:
- integração de sistemas de energia renovável nas
redes eléctricas
- electrificação dos sistemas de transporte
- casas inteligentes
- conversão electrónica de energia “adiabática”
- soluções para conversores “monolíticas”
- sistemas multi-nível para potências elevadas
- eficiência energética/poupança de energia
- redes em corrente contínua
- aplicações de grande largura de banda
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Conclusões
• As redes inteligentes (“smart grids”) traduzem e reflectem
os avanços tecnológicos em diversas áreas e uma
aproximação entre os vários interlocutores de uma rede de
energia.
• Os veículos eléctricos irão aumentar o seu nível de
penetração nos anos vindouros. Se no panorama actual a
sua autonomia ainda não é satisfatória, a percepção dos
consumidores e dos fabricantes quanto às suas vantagens
irá contribuir para acelerar este processo.
• Os sistemas electrónicos de potência são transversais às
mais variadas aplicações. A sua evolução terá impacto nas
redes inteligentes e nos veículos eléctricos.
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Questão
• Qual é o significado da designação “rede
inteligente”?
• Os “veículos eléctricos” são frequentemente
referidos como elementos das “redes inteligentes”.
Quais são as características/funcionalidades dos
veículos eléctricos que podem influenciar e
interferir com o funcionamento de uma “rede
inteligente”?