Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
ESTUDO SOBRE O SURGIMENTO E A EXPANSÃO DAS REDES ELÉTRICAS INTELIGENTES
EM CIDADES DIVERGENTES
SANTOS, FERNANDA M. C., SPATTI, DANILO H., SILVA, IVAN N.
Laboratório, Departamento Pós-Graduação da Engenharia Elétrica, Universidade de São Paulo
Av. Trabalhador São-carlense, 400, São Carlos – SP, 13566-590
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract⎯ Together with innovative smart technologies emerging, the smart grid stands out as ideal vision of future power system. In recent years, various studies have highlighted the smart grids in different initiatives, either in the area of network automation, or in power supply, or in services aimed at consumers. Pilot projects are under development in countries with different economic and political status, but it seeks primarily to create a set of sustainable and reliable networks, and to find energy solutions
that meet future needs. Therefore, this article aims to drill in which prospects the smart grids are being developed in national and
internationally scenarios, besides highlighting their future directions.
Keywords⎯ Smart city, smart grids, smart meters, sustainability.
Resumo⎯ Junto com as inovadoras tecnologias inteligentes despontando, a rede elétrica inteligente destaca-se como visão ideal
do futuro do sistema de energia. Nos últimos anos, variados estudos destacam as redes elétricas inteligentes em diferentes iniciativas, seja na área de automação da rede, ou no fornecimento de energia, ou nos serviços destinados ao consumidor. Projetos pilotos estão em desenvolvimento em países com diferentes status econômicos e políticos, mas que buscam, principalmente, criar um
conjunto de redes sustentável e confiável, além de encontrar soluções energéticas que atendam as necessidades futuras. Portanto,
este artigo tem o objetivo de detalhar em quais perspectivas as redes inteligentes estão sendo desenvolvidas nos cenários internacional e nacional, além de destacar suas direções futuras.
Palavras-chave⎯ Cidade inteligente, redes elétricas inteligentes, medidores inteligentes, sustentabilidade.
1
viços elétricos (Gellings, 2009). A SG aumentará a
conectividade e a automatização entre os consumidores, às várias empresas geradoras de energia e as
redes que executam tanto a transmissão de longa
distância quanto as de distribuição local (Lin et al.,
2013).
O desenvolvimento de novos produtos e serviços
relacionado ao SG proporcionará uma participação
ativa do consumidor na gestão de sua energia. Um
benefício para a sociedade será a maior eficácia na
realização de programas de uso racional de energia,
atrelados a potencial redução dos gastos com energia
elétrica, melhorias na qualidade do fornecimento de
energia, redução de furtos de energia e redução emissões de CO2.
Dado que o desenvolvimento de projetos de SG em
países desenvolvidos seja mais numeroso do que em
países em desenvolvimento, existem fatores que se
assemelham na justificativa da aplicação de SG em
ambos. Dentre estes fatores, países como a China,
Índia e Brasil destacam (Fadaeenejad et al., 2014):
qualidade e confiabilidade do sistema energético;
construção de um SG ao invés do sistema tradicional;
custo de investimento eficaz para rápida demanda de
energia e uso de energia renovável.
Desta forma, este artigo tem o objetivo de relatar os
atuais e futuros projetos de SG desenvolvidos pelo
mundo, dando uma visão de suas principais características e os primordiais motivos que levaram os países a adotarem esta nova tendência tecnológica. Ademais, uma atenção especial será dada ao Brasil,
país que se destaca como país emergente na economia mundial.
Introdução
Com o surgimento da economia digital e o explosivo crescimento da popularidade da Internet móvel, o setor industrial da energia elétrica está confrontando com novos desafios. Alguns problemas
relevantes como mudanças climáticas, proteção ambiental, redução do CO2, emissão de outros gases de
efeito estufa, desenvolvimento sustentável, aumento
da demanda de energia tanto pela população quanto
pelo setor industrial estão tornando cada vez mais
intensos. Embora as tecnologias do sistema energético tradicional possam aliviar esses problemas, eles
provaram serem inadequados. Como resultado, novas
tecnologias devem ser usadas para ajudar a resolver
esses desafios.
Assim, várias pesquisas e esforços de profissionais
multidisciplinares estão focados na criação de um
sistema de redes capaz de suportar a nova demanda
energética, e, em paralelo, suportar o fluxo de informações gerado pelos novos aplicativos da rede (Li
and Zhou, 2011). Como resultado dos esforços, surgiu a formulação do conceito de redes elétricas inteligentes (smart grid - SG), que difere de acordo com
o ponto de vista do profissional que a define. Por
definição, uma rede elétrica inteligente é uma rede
elétrica digitalmente habilitada que reúne, distribui e
atua em informações sobre o comportamento de todos os consumidores e fornecedores de energia elétrica, a fim de melhorar a eficiência, importância,
confiabilidade, economia e sustentabilidade dos ser-
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O artigo está organizado da seguinte forma: a Seção
2 identifica como os objetivos da SG são definidos
no contexto das cidades inteligentes. A Seção 3 descreve alguns projetos sobre o desenvolvimento de
SG em diferentes países. Finalmente, na Seção 4, o
artigo é concluído.
No contexto dos sistemas de energia elétrica, as cidades inteligentes são constituídas por um conjunto
de redes inteligentes compostas por diferentes topologias. As redes elétricas inteligentes podem ser entendidas como a união entre os diferentes elementos
dos sistemas elétricos com as tecnologias de informação e a rede de comunicação, como ilustrados na
Figura 2.
As redes elétricas inteligentes utilizam sensores,
medidores, controles digitais e ferramentas
computacionais para automatizar, monitorar e
controlar o fluxo bidirecional de energia em todas as
operações. Por meio das redes elétricas, a
concessionária de energia pode otimizar o
desempenho da rede elétrica, prevenir interrupções,
restaurar falhas mais rápido, e permitir aos
consumidores controlarem o consumo de energia.
Perante as inovações e benefícios no sistema de energia elétrica, será descrito alguns exemplos do
surgimento e da expansão das redes elétricas
inteligentes em cidades divergentes. Ou seja, cidades
que se diferenciam em fatores demográficos,
climáticos, ecônomicos e políticos.
2 O Modelo de Cidades Inteligentes
O termo cidades inteligentes é definido por uma
habilidade intelectual originada da integração dos
aspectos técnico-sociais e socioeconômicos provindos das inovações na urbanização, na tecnologia móvel, na economia das cidades e no comportamento
das pessoas como cidadão (Atkinson and Castro,
2008; Belisent, 2010; Shapiro, 2003). Similarmente,
o artigo Naphade et al. (Naphade et al., 2011) conceitua cidades inteligentes como a integração e a
otimização de um conjunto de sistemas públicos e
privados para obter um novo nível de eficiência e
eficácia. Estes sistemas são elementos constituintes
de uma cidade inteligente, e são responsáveis em
produzir e em consumir informações, as quais são
transmitidas através de uma infraestrutura tecnológica avançada, com o intuito de criar uma cidade autossustentável. A Figura 1 ilustra os sistemas descritos no artigo Naphade et al. (Naphade et al., 2011).
A literatura permite definir as dimensões de uma
cidade inteligente num modelo de referência holístico (Zygiaris, 2013). Ou seja, o paradigma das políticas de inovações urbanas inter-relacionaria o crescimento urbano com as questões das cidades verdes, da
vida de um cidadão conectada às redes de telecomunicações, das infraestruturas locais das comunidades
inteligentes, das inovações dos ecossistemas e da
sustentabilidade ambiental e social. Diante desta dimensão, os principiados projetos de implantação de
cidade inteligente diferenciam entre si pelos tipos de
sistemas desenvolvidos e pela forma de abordagem:
top-down, de líderes do governo para a população,
ou bottom-up, a partir das comunidades inteligentes.
Figura 2. Imagem extraída do artigo National Institute of Standards and Technology (2013) que representa os fluxos de comunicação e fluxos elétricos das redes elétricas inteligentes
3 Redes Elétricas Inteligentes
Baseado numa rede consistente e segura, as SG
permitem a automação integrada dos sistemas de
medição, geração e armazenamento distribuído de
energia, efetivamente. Portanto, a SG envolve vários
segmentos e tecnologias, tornando necessário um
longo período para sua instalação e seu desenvolvimento. Por exemplo, o State Grid Corporation da
China fez o planejamento da construção de uma eficiente SG em três estágios: planejamento do projeto
piloto (de 2009 a 2011), o estágio de construção (de
2011 a 2015) e o estágio de divulgação e atualizações (de 2016 a 2020) (Kang et al., 2009).
Nas seções subsequentes, há a descrição de cidades
em diferentes países que estão agindo para a concretização da SG. Estes projetos apresentam-se na fase
de planejamento, ou na fase de desenvolvimento ou
na fase de atualização e correção de um ou de alguns
segmentos que compõem a SG.
Figura 1. Imagem extraída do artigo Naphade et al. (2011) que
representa os sistemas que integram uma cidade inteligente.
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3.1 Cenário Internacional
dados e a integração de sistemas (Fadaeenejad et al.,
2014). O governo chinês é o responsável pelo
desenvolvimento da SG e, no período de 2011 a
2015, deliberou amplos investimentos nos setores:
geração, transmissão e transformação, distribuição,
comunicação, utilização e expedição (Saputro et al,
2012). Vários fatores caracterizam a urgência do
governo chinês em implantar SG, porém os
fundamentais são encontrar a demanda de
eletricidade para o futuro, já que o crescimento desta
demanda será de 233% entre 2007 e 2050 (Fadaeenejad et al., 2014). O outro fator é alcançar o equilíbrio
entre as fontes de energia e os usuários, por
intermédio de um desenvolvimento cooperado e
sustentável de energia elétrica, já que a China é o
maior emissor de gás carbono no meio ambiente (Lin
et al., 2013).
Ademais, a política do governo chinês apresenta
outras inovações, como o funcionamento otimizado
do sistema de energia nas indústrias; melhorias na
capacidade da rede para uma alocação ótima de
recursos; integração da geração de energia renovável
plug-and-play; geração distribuída usando estruturas
de redes eficientes e modos de operação flexíveis dos
recursos energéticos disponíveis (Lin et al., 2013).
O artigo (Lin et al., 2013) faz uma comparação entre
a política do SG na China e no USA. Este estudo
destaca que o USA apresenta alguns problemas estruturais nos atuais sistemas elétricos, como o envelhecimento da infraestrutura elétrica, congestionamento na transmissão, baixa eficiência e confiabilidade, lacunas entre o sistema secundário e as tecnologias de informação. Contudo, vários modos de
gerenciamento de recursos enérgicos existem, ostentando equilíbrio entre a geração e o consumo de energia local, o que justifica a transmissão à longa
distância ser raro neste país. Assim, o governo americano atualizou os sistemas de distribuição e de
transmissão para digital, o que contribuiu para otimizar a operação da rede e para abrir mercado de energias alternativas. Juntamente, a construção de SG
veio para aumentar a confiabilidade e eficiência do
sistema de transmissão de energia e do consumo dos
cidadãos, o qual foi auxiliado pelo medidor inteligente no controle dos dados de consumo.
A política de inovação das SG nos EUA conta com o
apoio do governo e de empresas públicas, e faz a
distribuição dos investimentos nas proporções: 39%
para o domínio de fornecimento de energia, que envolve desenvolvimento técnico e científico, empresas
públicas, informatização e educação; 53% para o
domínio ambiental, que engloba fatores financeiros,
políticos, tributários e leis de regulamentação; e 8%
para o domínio da demanda, destinado à serviços
públicos, agentes estrangeiros e comercial (Lin et al.,
2013).
O Japão é um dos pioneiros no desenvolvimento de
SG, responsável em criar modelos caracterizados
pelas abordagens government-led, communityoriented e business-driven (Mah et al., 2013). Government-led significa a atuação do governo nacional
Desde 2008, a Holanda apresenta investimentos
em três setores da SG que são voltados à produção
de eletricidade: powerhouse, flexworker e cidades
inteligentes (Heuvelhof and Weijnen, 2013). Powerhouse engloba as redes de alta e média voltagem,
nas quais os geradores de energia em grande escala e
os usuários estão conectados. Estes geradores
produzem energia elétrica com base em carvão, gás e
vento. Em relação a flexworker, a Holanda atua como
um fornecedor de serviços com base nas usinas de
gás, para preencher a lacuna entre a geração nuclear
inflexível e a geração à gás. Além disso, aumenta o
fornecimento de energia intermitente provinda de
fontes renováveis, especialmente de grandes parques
eólicos localizados no Mar do Norte, Dinamarca e no
Norte da Alemanha. O flexworker está localizado em
redes de transmissão AC de média e alta voltagem.
Já as cidades inteligentes, neste contexto, produz
energia em baixa escala, conectando geradores
descentralizados em pequena escala, instalações de
armazenamento e cargas flexíveis em domicílios.
Por outro lado, a cidade inteligente de Amsterdam
desenvolveu um projeto envolvendo o sistema de
energia elétrica, pela iniciativa de companhias particulares, autoridades governamentais e laboratórios
de pesquisas. Neste projeto, a cidade de Amsterdam
visa 25% de redução de energia para 2035 com base
em energia renovável (Zygiaris, 2013). O conselho
da cidade está implementando uma rede interligando
as residências por fibra óptica envolvendo 400 mil
casas, aproximadamente. Algumas partes da cidade
são instrumentadas com medidores inteligentes de
energia e carregadores elétricos inteligentes que
fornecem feedback do consumo de energia. Os projetos individuais da cidade inteligente são integrados
usando um SG e a plataforma EcoMap (Amsterdam
Smart City, 2011).
A Itália, dentre os países da União Europeia, destacase por estar inovando na política de regulamentação
dos serviços da cidade inteligente para melhor atender as metas do European-wide, que são a eficiência
energética, redução de emissão de gás de efeito estufa e produção de energia renovável. Por conseguinte,
a regulamentação italiana criou três novas áreas: integração de fontes de energia renovável (renewable
energy sources - RES); geração dispersa e resposta à
demanda; electromobilidade (Schiavo et al., 2013).
Para aumentar a presença de RES, especialmente da
energia eólica, iniciou o investimento em redes de
transmissão e em sistemas de armazenamento de
energia. Sobre electromobilidade, projetos estão sendo analisados e testados para a escolha da melhor
ação regulatória destinada às infraestruturas de carregamento público e à concorrência entre os fornecedores de energia privados.
A China introduziu a tecnologia SG em 2006 com o
projeto Solution Architecture for Energy (SAFT),
usando sensores para auxiliar a conexão de
equipamentos e melhorar o nível digital, a coleta de
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japonês em grandes iniciativas em direção ao desenvolvimento de redes inteligentes, por meio da implantação de diretrizes de política, de intervenção
governamental direta e de parcerias com o setor privado e os governos locais. Já a abordagem community-oriented enfatiza a administração de sistemas de
tarifas dinâmica e a resposta da demanda, que são
medidas para testar mudança comportamental entre
os consumidores residenciais. A abordagem business-driven representa as fontes de investimentos
financeiros dos projetos de SG realizados no país,
que são as grandes corporações como Toyota, Mitsubishi, Sharp, Toshiba, Fujitsu, Panasonic, NEC e
Nissan Motor.
O cenário na África Subsaariana é diferente dos demais, pois a duplicação do consumo de energia entre
os anos de 2007 a 2030 justifica-se pela acessibilidade dos serviços de energia elétrica a um grande número de pessoas em áreas urbanas e rurais que antes
não possuíam (Welsch et al., 2013). O planejamento
nesta área ocorre de forma equilibrada entre a integração de redes inteligentes regionais, as melhorias
na rede nacional de distribuição de energia e o desenvolvimento de micro-redes inteligentes descentralizadas iguais às descritas em Katiraei and Iravani
(Katiraei and Iravani, 2006). Atenção especial deve
ser destinada ao treinamento e materiais informativos
para os técnicos e para as comunidades, principalmente, para os cidadãos que não usufruíam de energia elétrica, pois precisam manter os sistemas de
micro-redes de forma sustentável.
Micro-redes são subsistemas de energia autônomos
separados da rede principal de transmissão, os quais
são projetados para produzir energia elétrica que
atenda a demanda de pequenas comunidades locais.
Os projetos de micro-redes propõem o fornecimento
de energia e a integração de geradores de energia
distribuídos com a energia renovável produzida localmente, como a energia eólia, energia solar, energia hídrica, células de combustível e bioenergia
(Chen et al., 2011). Além disso, as micro-redes oferecem maior eficiência na geração e na utilização de
energia em razão da menor perda de transmissão e
redução da emissão de gases de efeito estufa, respectivamente. No Japão, três sistemas de micro-redes
são testados pela NEDO (New Energy Industrial
Technology Development Organization) (Bando et
al, 2009). O Reino Unido analisa um modelo de micro-redes que inclui a energia solar, a combinação de
calor e eletricidade como fonte de energia, o armazenamento de eletricidade e as instalações de armazenamento térmico para atender hospitais, hotéis e centros de lazer (Hawkes and Leach, 2009). O artigo
Schmitt et al. (Schmitt et al., 2013) descreve inovadores micro-redes instituídos na Europa, destacando
as diferenças funcionais entre eles e suas funções em
relação ao ecossistema global de energia. Um dos
projetos relatados no artigo Schmitt et al. (Schmitt et
al., 2013) é o NiceGrid, localizado no município de
Carros, no sudeste da França. Este projeto destina-se
a testar uma arquitetura inovadora para micro-redes
de distribuição de baixa e média tensão, com alta
concentração de geradores fotovoltaicos em conjunto
com casas inteligentes, capazes de gerenciar as suas
necessidades elétricas.
3.2 Cenário Nacional
No Brasil, por outro lado, não há uma necessidade tão urgente em aumentar a produção de energia
ou elevar a utilização de fontes renováveis como em
outros países, uma vez que sua matriz energética é
prioritariamente hidráulica. Os maiores desafios são,
principalmente, diminuir as perdas e melhorar a qualidade da energia disponibilizada aos consumidores,
tanto residenciais quanto industriais, contornar a
elevada extensão e ramificação das redes de energia
e a inserção de Geração Distribuída. Dentre as pesquisas em andamento em solo brasileiro destacam as
concessionárias responsáveis e suas respectivas localidades de desenvolvimento:
• COPEL: Cidade do Futuro em Fazendo Rio
Grande, PR, e em Curitiba;
• LIGTH: Rio de Janeiro, RJ;
• CEMIG: Cidades do Futuro, em Sete Lagoas, MG;
• EDP no Brasil: Inovcity em Aparecida, SP;
• AES Eletropaulo: Barueri, SP.
Em Curitiba, foram criadas novas redes elétricas
compactas, com a substituição de 900 km de redes
convencionais, trazendo mais confiabilidade à população. Ademais novas subestações transformadoras
de energia automatizadas foram construídas para
atender a população de Curitiba e de cidades vizinhas, oferecendo um expressivo reforço na disponibilidade de energia elétrica para o consumo (COPEL,
2010).
O programa Smart Grid Light está sendo realizada na
cidade do Rio de Janeiro, sob a gerência da concessionária Light. Este programa adotou a abordagem
fim a fim, ou seja, este é um programa constituído de
projetos que abrangem a modernização da rede elétrica, o desenvolvimento de medidor inteligente, automação das residências, suporte ao desenvolvimento
de cidades sustentáveis e a criação de um programa
destinado à regulamentação e à criação de políticas
públicas direcionadas às SG (Toledo, 2012). Os objetivos destas regulamentações são para padronizar e
garantir interoperabilidade entre as empresas do
Grupo Ligtht e as demais concessionárias do país.
A cidade de Sete Lagoas está passando por uma fase
de validação dos projetos de implantação de uma
cidade inteligente, que englobam a criação de uma
SG, a fundação da primeira usina experimental de
geração solar fotovoltaica da América Latina e o
Estádio Solar Arena do Jacaré, o qual visa à captação
e o fornecimento de energia (CEMIG, 2012).
Na cidade de Aparecida, a concessionária EDB Bandeirantes está na fase de desenvolvimento da cidade
inteligente, a qual engloba as seguintes ações: siste1929
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ma eficiente para a iluminação pública da cidade;
substituição de lâmpadas para garantir eficiência
energética; instalação de medidor inteligente em todas as unidades consumidoras; orientações à população para prepará-la para mudanças de condutas em
relação ao consumo energético; e geração distribuída
renovável (EDP Bandeirante, 2012).
Por fim, a cidade de Barueri está sendo modificada
para que em 2015 se torne uma cidade inteligente.
Desde 2010, a concessionária em parceria com a
Universidade de São Paulo começou a elaboração de
projetos pilotos para a SG e, principalmente, iniciou
inovações na infraestrutura da cidade, como a digitalização de subestações e instalação de equipamentos
de automação na rede. Atualmente, softwares estão
em fase de implantação, medidores inteligentes estão
sendo instalados em comunidades carentes e projetos
futuros estão sendo elaborados. Dentre estes projetos
destacam o veículo elétrico, o pré-pagamento e a
tarifa diferenciada por horário de consumo de energia (AES Eletropaulo, 2013).
inteligentes que está em falta em grande parte da
Europa e da América do Norte. Especialmente, a
China está desenvolvendo um sistema de transmissão
que é o mais avançado na transmissão, no
monitoramento inteligente e na tecnologia de
controle do que qualquer um dos sistemas existentes
no mundo ocidental.
Enfim, as inovações e os desafios nos aspectos que
engloba a edificação de uma cidade inteligente são
diversos, porém os países, emergentes ou não
economicamente, estão se mobilizando para instalar
soluções tecnológicas inteligentes. Estas soluções
aliadas as fontes de recursos naturais renováveis são
a base para a criação de cidades auto-sustentáveis,
conceito que deseja-se tornar popular num futuro
próximo.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq (Processo
503912/2012-3) e a FAPESP (Processo 2011/176100) pelo apoio financeiro concedido para o desenvolvimento desta pesquisa.
4 Conclusão
As redes inteligentes são a tecnologia-chave para uma rede de fornecimento de energia, capaz de
garantir eficiência, sustentabilidade, segurança e,
principalmente, um controle inteligente sobre todos
os serviços oferecidos. Porém, o modo como as SG
estão sendo abordadas pelos diferentes países do
mundo depende de vários fatores, como os investimentos financeiros, a atuação e as motivações do
governo e de empresas particulares, as pesquisas e os
estudos sob os diversos aspectos do sistema elétrico,
as necessidades vigentes da população e das indústrias, a busca pela exploração de recursos energéticos
renováveis.
Na Europa e nos EUA, os motivos dominantes são a
adequação de fontes de energia renováveis
intermitentes e a otimização do uso da capacidade de
infra-estrutura existente, para prolongar sua vida útil.
Em outras partes do mundo, os dispositivos
desenvolvidos para as redes inteligentes diferem de
acordo com as necessidades locais e com o estágio
de desenvolvimento econômico. As economias
emergentes, como China, Índia e Brasil não tem
escolha a não ser investir agressivamente em novas
infra-estrutura para manter o rápido aumento na
demanda de energia. Visando aumentar seu
crescimento econômico, essas economias emergentes
estão, primeiramente, com o foco na construção do
backbone de transmissão necessário para suprir seus
grandes centros de carga com maior potência. No
Brasil e na China, onde a energia renovável em
grande escala é colhida em áreas remotas,
interconectores HVDC de ultra-alta tensão de longa
distância são construídos para servir grandes
aglomerações urbanas e industriais. No local onde os
interconectores estão sendo edificados, encontra-se
em fase de construção, instalando equipamentos
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