Transição energética, estilo havaiano

Cem por cento de geração renovável a partir de energia eólica e solar não é viável hoje sem impactos significativos de confiabilidade. O estado americano do Havai pretende mudar esta situação nos anos seguintes. Em uma aliança de pesquisa liderada pela Siemens, um novo sistema assistente será desenvolvido para a rede elétrica da Ilha Hawaii nos próximos três anos. A transição para um sistema de fontes de energia renováveis será testada no processo.

Havai está levando a sério seus planos de ter um sistema de energia totalmente renovável em vigor até 2045. As Companhias Elétricas Havaianas já estabeleceram um portfólio diversificado de renováveis. Mas Havai – como muitos outros estados ou nações insulares – também conta com usinas convencionais, fósseis ou renováveis, para manter a estabilidade da frequência e da tensão. As metas do Estado para uma rápida evolução da energia renovável são impulsionadas pelo desejo de reduzir a dependência da ilha do petróleo importado, a fim de reduzir as emissões fósseis e melhorar a estabilidade dos preços da eletricidade e a independência energética. Essas metas deslocarão a operação dos recursos fósseis, mas também é necessário manter um fornecimento de eletricidade confiável e estável com o futuro mix de recursos de geração. Uma aliança de pesquisa liderada pela Siemens Corporate Technology em Princeton, Nova Jersey, avaliará como a maior ilha, também conhecida como Ilha Grande, poderá operar de forma confiável com menos plantas convencionais para facilitar até 100% de energia renovável com a ajuda de um novo sistema assistente. Tal nível ainda não pode ser alcançado em grandes grades. "Não temos as tecnologias necessárias para desligar todos os geradores convencionais", disse o chefe do projeto, Ulrich Muenz. "Mas vamos trabalhar para desenvolvê-los no projeto."

Estabilidade frágil da rede sem usinas de energia convencional

O recurso energético está certamente disponível: ilhas como as do Havai têm energia eólica, solar e, potencialmente, outros recursos renováveis como hidro, geotérmica ou biomassa para suprir todas as necessidades das ilhas através de energia 100% renovável. No entanto, a rede elétrica precisa permanecer estável, confiável e acessível para atender às necessidades energéticas dos clientes comerciais e residenciais. Em praticamente todos os lugares do mundo, os sistemas de energia foram projetados com usinas convencionais produzindo a maior parte da eletricidade, incluindo a Ilha Grande.

 

Embora as usinas convencionais movidas a fósseis tenham alto impacto ambiental, elas também têm uma série de propriedades importantes para sistemas de energia que não podem ser prontamente substituídas pela geração eólica e solar. As enormes massas rotativas de geradores de turbinas desempenham um papel fundamental na estabilidade da rede elétrica. A geração de energia e a carga devem ser precisamente equilibradas a cada segundo para manter a rede elétrica em harmonia. Quando isso não ocorre, todos os geradores são conectados diretamente à rede e sua energia rotacional e resposta de frequência servem como resistência à mudança de frequência, proporcionando uma força estabilizadora no sistema. Os componentes rotativos das usinas de biomassa, hidrelétricas e geotérmicas também contribuem. Em contraste, os sistemas de energia solar e eólica são conectados à rede por inversores eletrônicos de energia que são diferentes em sua natureza porque não são máquinas síncronias com inércia. Esses recursos baseados em inversores historicamente não contribuíram para a resposta de frequência – embora isso esteja sendo cada vez mais adicionado através de controles de inversor para fornecer algum suporte aos distúrbios da rede.

Innovative technologies for power grids of the future 

Por essa razão, o grande desafio não está apenas na expansão das energias renováveis. Também envolve novos sistemas assistentes para a paisagem energética do futuro. A Siemens está trabalhando para fazer isso em projetos como IREN2 e DynaGrid. Como parte do IREN2, um projeto que está sendo conduzido na cidade bávara de Wildpoldsried, pesquisadores conseguiram pela primeira vez desconectar um microgrid da rede elétrica pública e cobrir temporariamente as necessidades de eletricidade da cidade usando apenas energia produzida por inversores solares e baterias. Os pesquisadores utilizaram inversores Sinamics feitos pela Siemens que são equipados com funções especiais para equilibrar geração e carga de energia, bem como para estabilizar tensão e frequência. Mas o uso de muitos inversores com essas capacidades na rede cria o risco de oscilações de energia que poderiam resultar em um apagão. Os pesquisadores da Siemens desenvolveram sistemas especiais de assistente que poderiam ser usados no projeto de controladores Sinamics para reduzir essas oscilações.

 

No projeto DynaGrid, a Siemens se uniu a parceiros de pesquisa para demonstrar um centro de controle dinâmico que pode operar de forma estável e confiável a rede elétrica do futuro com seus equipamentos altamente dinâmicos usando uma série de sistemas assistentes, inicialmente em condições de laboratório. Aqui, também, um dos sistemas assistentes tinha sido atribuído a tarefa de reduzir as oscilações de energia entre as usinas.

 

Essas tecnologias desenvolvidas na Alemanha estão agora sendo testadas em projetos maiores. Em Wildpoldsried, uma rede com carga de 130 kW foi alimentada com 100% de energia solar. Um megawatt foi alcançado por um sistema de energia que acabou de entrar em operação na ilha de Galápagos de Isabela. O projeto de pesquisa ReNew100 na Ilha Grande do Havai está investigando as condições para uma rede elétrica insular muito maior pela primeira vez: a maior ilha do arquipélago requer aproximadamente 180 MW de carga máxima. O projeto está recebendo US$ 3 milhões em financiamento do Departamento de Energia dos EUA.

Sistema assistente controla a real-timesimulação

Antes do teste real começar que inclui uma parcela crescente de energias renováveis, o programa assistente deve provar-se operando um gêmeo digital da rede elétrica do Hawai'i. "Esse gêmeo digital é um modelo de simulação que mostra o que acontecerá em uma rede elétrica se alterarmos os parâmetros-chave", disse Muenz. "Estamos falando de parâmetros como a substituição de usinas convencionais em larga escala por parques eólicos."  Os dados do modelo de grade estão sendo fornecidos pela Hawai'i Electric Light. O instituto de pesquisa Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) desenvolverá métodos de calibração adequados para sistemas dominados pela geração baseada em inversores. Com esses novos métodos, a PNNL calibrará o modelo de grade de tal forma que replica medições reais fornecidas pela Hawai'i Electric Light. Este modelo de alta fidelidade é então implementado no hardware e software de simulação em tempo real do OPAL-RT hospedado pela PNNL.

 

O Siemens Energy Management System Spectrum Power gerencia essa rede virtual. O sistema assistente inclui o software Siemens SiGuard Dynamic Security Assessment que pode prever como a rede da ilha responderia a eventos críticos, e os algoritmos desenvolvidos pela Siemens Corporate Technology. Esses algoritmos fornecerão ao operador de rede configurações alternativas para os inversores de suas renováveis para reduzir a oscilação. A interconexão do gêmeo digital do sistema de energia Hawai'ian no simulador em tempo real da OPAL-RT com o novo Sistema de Gerenciamento de Energia permitirá que a equipe demonstre a eficácia do novo sistema de suporte em condições operacionais reais.

 

Isso fornece informações críticas necessárias para a transição generalizada para energias renováveis e permite uma operação estável em redes insulares com alta penetração de energia renovável em larga escala. Como resultado, a transição energética pode se tornar realidade enquanto as luzes permanecem acesas no Havaí. 

 

(Autor: Katrin Nikolaus)

Assine nossa Newsletter

Mantenha-se atualizado o tempo todo: tudo o que você precisa saber sobre eletrificação, automação e digitalização.