Redes elétricas descentralizadas – O futuro da segurança energética

Muitos veem as redes elétricas descentralizadas como a melhor opção para melhorar a segurança energética. Essas redes aprimoram a infraestrutura da rede tradicional, utilizando recursos energéticos comunitários em conjunto com usinas centralizadas. Veja como uma equipe de engenheiros do MIT busca aprimorar as redes elétricas descentralizadas e ajudar a manter as residências energizadas no futuro.

Aumento de cortes de energia

Relatórios mostram que as quedas de energia estão aumentando globalmente por vários motivos. A falta de manutenção e conservação é responsável por um sistema envelhecido e desempenho reduzido em muitas áreas. Além disso, condições climáticas severas são mais prováveis ​​do que no passado, aumentando o estresse na infraestrutura antiga.

Outro fator que contribui para quedas de energia que muitas pessoas nunca pensam é a mudança para renováveis. Painéis solares são exemplos importantes de sistemas que fornecem energia de baixo custo, mas têm momentos e cenários em que não conseguem produzir nada.

Durante a noite ou em períodos prolongados de tempo nublado, os sistemas solares não conseguem fornecer a energia necessária para sustentar as comunidades. Ao contrário dos cortes de energia tradicionais, lacunas previsíveis na geração de energia renovável (como dias nublados ou noites para energia solar) podem ser mitigadas pela coordenação de dispositivos de ponta da rede para ajustar o consumo e a distribuição em tempo real.

Estatísticas de falta de energia

A 2023 Pesquisa Habitacional Americana esclareceu o quão ruim a crise energética se tornou. O relatório mostrou que pelo menos uma em cada quatro famílias dos EUA sofreu uma queda de energia no último ano. Ele também revelou que +70% dos entrevistados sofreram uma queda de energia por +6 horas.

Curiosamente, as estatísticas revelam que comunidades rurais são mais propensas a sofrer quedas de energia prolongadas. No entanto, elas destacaram certas cidades, como Detroit, que sofrem com quedas de energia anormalmente altas devido à infraestrutura ruim e outros fatores.

Preocupações Globais

É possível observar que esse problema se expande exponencialmente ao analisarmos as interrupções globais. Há muitos casos de nações inteiras mergulhadas na escuridão por dias e até semanas. Em um incidente, a rede elétrica envelhecida de Cuba falhou, resultando em mais de 10 milhões de pessoas sem energia por dias.

Evolução das redes elétricas locais

Quando você pensa na sua rede elétrica local. Você provavelmente imagina uma usina de energia centralizada, subestações e linhas de transmissão. Essa infraestrutura ainda é a mais comum, mas ela viu algumas mudanças importantes devido à evolução dos eletrônicos domésticos.

Fonte – MIT

Dispositivos de ponta de rede

O termo grid edge se refere a dispositivos que residem longe da fonte de alimentação central. Esses dispositivos geralmente têm capacidades avançadas, incluindo capacidade de geração, armazenamento e ajuste de energia. Dispositivos grid edge incluem painéis solares residenciais, baterias, veículos elétricos, bombas de calor, aquecedores de água e dispositivos IoT (Internet das Coisas).

Recursos Energéticos Distribuídos (DERs)

O uso crescente de recursos energéticos distribuídos cria novas oportunidades no mercado. Esses dispositivos inteligentes oferecem a capacidade de monitorar, controlar, comunicar e executar tarefas. É essa flexibilidade que uma equipe de engenheiros do MIT buscou utilizar em sua estratégia mais recente para melhorar a resiliência da rede, proteger contra ataques cibernéticos e estabilizar a rede.

Estudo sobre redes elétricas descentralizadas

Um estudo recente publicado na revista da Academia Nacional de Ciências, denominado “Resiliência da rede elétrica por meio de ativos confiáveis ​​coordenados pela IoT"¹ introduz uma nova estrutura para alavancar dispositivos de borda para garantir a resiliência da grade contra vários cenários. O novo sistema alavanca dispositivos de borda de grade coordenados para reequilibrar ou dar suporte à rede.

Dispositivos IoT

O foco do estudo é o uso de dispositivos de IoT (Internet das Coisas). Para se qualificar como um dispositivo de IoT, a unidade deve ter um sensor e ser capaz de comunicar dados com a internet. Vale ressaltar que atualmente existem bilhões desses dispositivos inteligentes espalhados pelo mundo. Por isso, os pesquisadores se concentraram na utilização desses dispositivos, visto que se prevê que eles representem a maior parte dos dispositivos de ponta nos próximos 5 anos.

A estratégia veria os proprietários de imóveis se inscreverem em um mercado regional. Essa assinatura tornaria seus dispositivos IoT elegíveis para a micro rede. Uma vez aprovados, os dispositivos confiáveis ​​seriam capazes de coordenar o consumo de energia e a distribuição determinados pelos engenheiros de algoritmos proprietários desenvolvidos.

EURIEKA (Ativos Eficientes, Ultra-Resilientes e Coordenados pela IoT)

O algoritmo EURIEKA está no centro do estudo dos engenheiros. O algoritmo varre a rede em busca de dispositivos de ponta participantes. Em seguida, ele determina se deve complementar a rede elétrica ou reduzir o consumo de energia dos dispositivos de IoT com base em critérios predefinidos. O que torna o algoritmo tão eficaz é que ele se baseia em cada mercado de eletricidade local.

operador

Os operadores de mercado local desempenham um papel vital nessa abordagem. Cada mercado tem um operador que é encarregado de gerenciar e se comunicar com os participantes da rede e outros operadores. Eles são os nós responsáveis ​​por iniciar o algoritmo EURIEKA e garantir que ele funcione corretamente.

Estabelecer confiança

O primeiro passo para esse processo é estabelecer confiança. Há tantos dispositivos de IoT que é crucial que o sistema funcione apenas com unidades verificadas e aprovadas para evitar riscos de segurança. O algoritmo pode verificar e aprovar de forma independente dispositivos de IoT confiáveis, determinando a melhor combinação para mitigar efetivamente falhas de energia e estabilizar o sistema.

Mercado de eletricidade local

Parte dessa estratégia cria um mercado local de energia onde os participantes da IoT podem garantir recompensas por seus esforços. O sistema rastreia automaticamente as ações de cada participante e paga retornos com base em suas contribuições de energia. Notavelmente, os engenheiros conceberam uma variedade de maneiras pelas quais os participantes da rede poderiam receber compensações, desde pagamentos diretos até créditos na conta.

Testando Redes Elétricas Descentralizadas

Os engenheiros do MIT utilizam uma variedade de dispositivos e algoritmos para testar sua nova abordagem. Especificamente, os engenheiros empregaram um simulador amigável ao utilitário, validação de hardware-in-the-loop em tempo real e uma plataforma de co-simulação.

Algoritmo de rede elétrica

O teste incluiu vários cenários que variaram em situações de perda de energia. Os cenários levaram em conta falhas em todos os níveis do sistema. Em alguns casos, a perda foi de apenas 5% de falha. Em outros casos, a rede viu falhas catastróficas de até 40%.

Cenários de Ataque à Rede

Os pesquisadores testaram o sistema contra um grande ataque cibernético. Neste cenário, a equipe imaginou um termostato inteligente sendo hackeado. Os dispositivos hackeados foram então acionados para aumentar o estresse na rede elétrica a níveis perigosos. O aumento do estresse causaria uma falha na rede elétrica tradicional. No entanto, os sistemas de borda da rede se mostraram resilientes.

Desastres Naturais

A equipe também testou sua rede contra eventos climáticos. Eles previram um grande desastre natural que causou danos a uma grande porcentagem das linhas de transmissão. Esse cenário é comum em todo o mundo, pois grandes desastres naturais são mais frequentes.

Resultados dos testes de redes elétricas descentralizadas

O teste do algoritmo provou que redes de dispositivos grid-edge podem suplementar a perda de energia devido a vários ataques. O sistema reestabilizou a grade com sucesso ajustando a topologia da grade. Além disso, o novo algoritmo pode determinar automaticamente quais dispositivos são confiáveis ​​e suas capacidades.

Benefícios das Redes Elétricas Descentralizadas

Há muitos benefícios que as redes de energia descentralizadas trazem ao mercado. Por um lado, elas oferecem geração de energia sob medida que leva em conta o consumo de energia de cada dispositivo para fornecer eficiência. Este sistema é uma alternativa mais verde e sustentável ao status quo.

Dispositivos IoT estão em todo lugar

Outro benefício é o uso de dispositivos IoT. Há bilhões dessas unidades localizadas globalmente com o potencial de ajudar a estabilizar redes de energia. Essa estratégia leva em conta suas capacidades e as utiliza juntas para criar uma rede elétrica mais robusta, capaz de lidar com condições extremas sem falhas.

Preenche lacunas de energia renovável

Tecnologias como energia eólica e solar são ótimas para criar energia limpa. No entanto, há momentos em que não são capazes de produzir a eletricidade necessária para abastecer as casas. Nesses cenários, os engenheiros imaginam dispositivos de ponta da rede se destacando para assumir a carga de trabalho extra.

Lucrativo

Um dos potenciais benefícios dessa estratégia é um mercado local de eletricidade mais dinâmico, onde os participantes poderiam ser compensados ​​por suas contribuições. Embora pesquisadores do MIT proponham esse conceito, incentivos financeiros específicos, como créditos ou pagamentos em contas, dependeriam da implementação do mercado e das estruturas regulatórias. Seria ótimo receber um mês de eletricidade grátis porque, no mês anterior, sua geladeira e termostato inteligentes fizeram a sua parte para ajudar a manter a rede estável.

Pesquisadores de Redes Elétricas Descentralizadas

O estudo da rede elétrica descentralizada foi apresentado por uma equipe de engenheiros do MIT. O artigo lista os autores principais como Vineet Nair e John Williams. A pesquisa também foi coautorada por Anu Annaswamy. Notavelmente, recebeu financiamento do Indian Institute of Technology, do National Renewable Energy Laboratory, do US Department of Energy e da MIT Energy Initiative.

Este estudo expande o trabalho anterior da pesquisadora principal, Nair, na área da teoria do controle adaptativo. A teoria do controle adaptativo gira em torno da criação de sistemas que podem detectar e corrigir problemas automaticamente, sem intervenção humana. Este protocolo mais recente está alinhado com essa pesquisa e poderá, um dia, ajudar a manter as casas energizadas o ano todo.

Empresas Líderes em Soluções de Energia

A corrida para fornecer as soluções de energia mais resilientes ao mercado resultou no surgimento de vários participantes importantes. Essas empresas investiram milhões em P&D para aprimorar as produções e a entrega de energia em todo o mercado. Aqui está uma empresa idealmente posicionada para capitalizar quaisquer melhorias na rede elétrica.

Duke Energia Corp.

Duke Energia Corp. (DUK + 0.92%) entrou no mercado em 1904 como uma usina hidrelétrica localizada no Rio Catawba. A empresa foi fundada por James Buchanan Duke e Benjamin Newton Duke e tem sede em Charlotte, Carolina do Norte. Desde seu lançamento, a Duke Energy Corporation viu um crescimento significativo. Hoje é uma das maiores empresas de energia elétrica dos Estados Unidos.

A ascensão da Duke Energy ao domínio do mercado ocorreu ao longo de muitas décadas, aquisições e movimentações de mercado. Em 1997, a empresa se fundiu com a PanEnergy Corporation para ampliar seus negócios. Em 2005, a Duke Energy adquiriu a Cinergy Corporation, aumentando sua penetração de mercado em estados-chave.

Hoje, a Duke Energy continua sendo líder de mercado no setor de produção de energia. A empresa continua a inovar e integrar novas tecnologias como parte de sua estratégia para oferecer energia confiável e acessível a seus clientes.

Seu posicionamento e histórico permitiriam que a Duke Energy integrasse as descobertas do estudo grid edge para melhorar suas ofertas. Como tal, a DUK é vista como uma forte adição a qualquer portfólio.

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O futuro das redes elétricas descentralizadas

Ainda há muitos obstáculos para a adoção que os engenheiros reconhecem que devem ser superados para ter sucesso. Primeiro, o sistema exigirá que clientes e empresas optem pela rede. A partir daí, eles precisarão concordar em integrar determinado hardware para permitir que o sistema injete energia de volta na rede e rastreie seus esforços. Todas essas etapas exigirão educar as massas e fornecer soluções acessíveis e de baixo custo.

Alcançando a resiliência da rede elétrica

Você tem que dar crédito a essa equipe de pensadores inovadores por sua abordagem única. O conceito deles utilizou dispositivos de borda de grade prontamente disponíveis para ajudar a estabilizar todo o sistema. Essa estratégia faz sentido, não requer grandes custos ou mudanças de rede e alavanca as enormes redes de IoT em vigor hoje. Como tal, você pode esperar ver mais pesquisas sobre redes de energia descentralizadas avançando.

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Referência do estudo:

^{1. VJ Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, PS Sarker, A. Srivastava, LD Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, HV Poor, & AM Annaswamy, Resiliência da rede elétrica através de ativos confiáveis ​​coordenados pela IoT, Proc. Nacional. Acad. Ciência. EUA 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}