Redes de Energia Descentralizadas – O Futuro da Segurança Energética

Muitos veem as redes de energia descentralizadas como a melhor opção para melhorar a segurança energética. Essas redes aprimoram a infraestrutura tradicional da rede ao utilizar recursos energéticos baseados na comunidade juntamente com usinas centralizadas. Veja como uma equipe de engenheiros do MIT busca melhorar as redes de energia descentralizadas e ajudar a manter as casas energizadas no futuro.

Interrupções de Energia em Aumento

Relatórios mostram que as interrupções de energia estão aumentando globalmente por várias razões. 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 a pressão sobre a infraestrutura antiga.

Outro fator que contribui para as interrupções de energia e que muitas pessoas nunca consideram é a transição para fontes renováveis. Painéis solares são exemplos principais de sistemas que fornecem energia de baixo custo, mas têm momentos e cenários nos quais não conseguem produzir nada.

Durante a noite ou períodos prolongados de clima nublado, os sistemas solares não conseguem fornecer a energia necessária para apoiar as comunidades. Ao contrário das interrupções de energia tradicionais, lacunas previsíveis na geração de energia renovável (como dias nublados ou a noite para a solar) podem ser mitigadas ao coordenar dispositivos de borda da rede para ajustar o consumo e a distribuição em tempo real.

Estatísticas de Interrupções de Energia

Uma pesquisa americana de habitação de 2023 American Housing Survey revelou o quão grave a crise energética se tornou. O relatório mostrou que pelo menos uma em cada quatro residências nos EUA enfrentou uma interrupção de energia no último ano. Também revelou que mais de 70% dos entrevistados sofreram a interrupção por mais de 6 horas.
Curiosamente, as estatísticas revelam que comunidades rurais têm maior probabilidade de enfrentar interrupções prolongadas. No entanto, destacou certas cidades como Detroit, que sofrem com interrupções anormalmente altas devido a infraestrutura precária e outros fatores.

Preocupações Globais

É possível observar essa questão se expandir exponencialmente ao analisar interrupções globais. Existem muitos casos de nações inteiras mergulhadas na escuridão por dias e até semanas. Em um incidente, a rede elétrica envelhecida de Cuba falhou, deixando mais de 10 milhões de pessoas sem energia por dias.

Redes de Energia Locais em Evolução

Quando você pensa na rede elétrica local, provavelmente imagina uma usina centralizada, subestações e linhas de transmissão. Essa infraestrutura ainda é a mais comum, mas tem passado por mudanças significativas devido à evolução dos eletrônicos domésticos.

Fonte – MIT

Dispositivos de Borda da Rede

O termo borda da rede refere-se a dispositivos que ficam longe do fornecimento central de energia. Esses dispositivos frequentemente possuem capacidades avançadas, incluindo geração, armazenamento e ajuste de energia. Dispositivos de borda da rede 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 mais recente estratégia para melhorar a resiliência da rede, proteger contra ataques cibernéticos e estabilizar a rede.

Estudo sobre Redes de Energia Descentralizadas

Um estudo recente publicado na revista National Academy of Sciences, intitulado “Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets“¹, apresenta uma estrutura inovadora para aproveitar dispositivos de borda a fim de garantir a resiliência da rede contra vários cenários. O novo sistema utiliza dispositivos de borda da rede coordenados para reequilibrar ou apoiar a rede.

Dispositivos IoT

No cerne do estudo está o uso de dispositivos IoT (Internet das Coisas). Para ser qualificado como um dispositivo IoT, a unidade deve possuir um sensor e ser capaz de comunicar dados à internet. Notavelmente, há bilhões desses dispositivos inteligentes espalhados pelo mundo atualmente. Como tal, os pesquisadores focaram em utilizar esses dispositivos, pois prevê-se que constituam a maior parte dos dispositivos de borda nos próximos 5 anos.
A estratégia faria com que os proprietários se inscrevessem 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 e a distribuição de energia determinados pelo algoritmo proprietário desenvolvido pelos engenheiros.

EURIEKA (Ativos Eficientes, Ultra-Resilientes, Coordenados por IoT)

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

Operador

Os operadores de mercados locais desempenham um papel vital nessa abordagem. Cada mercado possui um operador responsável por gerenciar e comunicar-se com os participantes da rede e outros operadores. Eles são os nós responsáveis por iniciar o algoritmo EURIEKA e garantir seu funcionamento correto.

Estabelecer Confiança

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

Mercado Local de Eletricidade

Parte dessa estratégia cria um mercado de energia local onde os participantes IoT podem garantir recompensas por seus esforços. O sistema rastreia automaticamente as ações de cada participante e paga retornos com base em suas contribuições energéticas. Notavelmente, os engenheiros conceberam diversas formas de compensar os participantes da rede, variando de pagamentos diretos a créditos na conta.

Testando Redes de Energia Descentralizadas

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

Algoritmo da Rede Elétrica

Os testes incluíram 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 sofreu falhas catastróficas de até 40%.

Cenários de Ataque à Rede

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

Desastres Naturais

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

Resultados dos Testes das Redes de Energia Descentralizadas

Os testes do algoritmo provaram que redes de dispositivos de borda da rede podem suplementar a perda de energia devido a vários ataques. O sistema restabeleceu com sucesso a rede ao ajustar a topologia da rede. Além disso, o novo algoritmo pode determinar automaticamente quais dispositivos são confiáveis e suas capacidades.

Benefícios das Redes de Energia Descentralizadas

Existem muitos benefícios que as redes de energia descentralizadas trazem ao mercado. Primeiro, elas oferecem geração de energia personalizada que leva em conta o consumo de cada dispositivo para proporcionar eficiência. Esse 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. Existem bilhões dessas unidades espalhadas globalmente com potencial para ajudar a estabilizar as redes elétricas. Essa estratégia considera suas capacidades e as utiliza em conjunto 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 excelentes para gerar energia limpa. No entanto, elas têm momentos em que não conseguem produzir a eletricidade necessária para alimentar residências. Nesses cenários, os engenheiros imaginam que os dispositivos de borda da rede assumam a carga extra.

Rentável

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

Pesquisadores das Redes de Energia Descentralizadas

O estudo sobre redes de energia descentralizadas 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 coautoria de Anu Annaswamy. Notavelmente, recebeu financiamento do Indian Institute of Technology, do National Renewable Energy Laboratory, do Departamento de Energia dos EUA e da MIT Energy Initiative.
Este estudo amplia o trabalho anterior do pesquisador principal Nair no campo da teoria de controle adaptativo. A teoria de controle adaptativo gira em torno de criar sistemas que podem detectar e corrigir automaticamente problemas sem intervenção humana. Este protocolo mais recente está alinhado com essa pesquisa e pode, um dia, ajudar a manter as casas energizadas o ano todo.

Empresas Líderes em Soluções Energéticas

A corrida para oferecer as soluções energéticas mais resilientes ao mercado resultou no surgimento de vários players‑chave. Essas empresas investiram milhões em P&D para aprimorar a produção e entrega de energia em todo o mercado. Aqui está uma empresa idealmente posicionada para capitalizar quaisquer melhorias nas redes elétricas.

Duke Energy Corp

Duke Energy Corp (DUK ) 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 sua sede em Charlotte, Carolina do Norte. Desde seu lançamento, a Duke Energy Corporation experimentou um crescimento significativo. Hoje é uma das maiores empresas de energia elétrica dos Estados Unidos.

A ascensão da Duke Energy ao domínio de mercado ocorreu ao longo de muitas décadas, aquisições e movimentos de mercado. Em 1997, a empresa se fundiu com a PanEnergy Corporation para ampliar suas ofertas. Em 2005, a Duke Energy adquiriu a Cinergy Corporation, aumentando a 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 aos seus clientes.

Seu posicionamento e histórico permitiriam à Duke Energy integrar os achados do estudo de borda da rede para melhorar suas ofertas. Assim, a DUK é vista como uma adição forte a qualquer portfólio.

Novidades sobre a Duke Energy Corp

Futuro das Redes de Energia Descentralizadas

Ainda existem muitos obstáculos à adoção que os engenheiros reconhecem que precisam ser superados para ter sucesso. Primeiro, o sistema exigirá que clientes e empresas optem por participar da rede. A partir daí, será necessário concordar em integrar determinados hardwares para permitir que o sistema injete energia de volta na rede e rastreie seus esforços. Todas essas etapas exigirão a educação das massas e a oferta de soluções de baixo custo e acessíveis.

Alcançando a Resiliência da Rede Elétrica

É preciso reconhecer o mérito desta equipe de pensadores inovadores por sua abordagem única. Seu conceito utilizou dispositivos de borda da rede prontamente disponíveis para ajudar a estabilizar todo o sistema. Essa estratégia faz sentido, não requer custos elevados ou mudanças na rede, e aproveita as enormes redes IoT existentes hoje. Assim, pode-se esperar ver mais pesquisas sobre redes de energia descentralizadas avançando.

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Referência do Estudo:

^{1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, Resiliência da rede elétrica por meio de ativos IoT coordenados confiáveis, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}