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Tendências de Inovações Tecnológicas para o
setor de Rede Elétrica Inteligente

Outubro/2013

Relatório preparado pela Cysneiros Consultores Associados
para a Secretaria de Ciência e Tecnologia do Estado de
Pernambuco.
Pesquisador Responsável
Eletroeletrônica: Eduardo Peixoto
2

Sumário
1

Introdução........................................................................................................................ 5

2

Análise das Tendências de Inovação Tecnológica em Eletroeletrônica ....................... 6
2.1

Análise da Tecnologia de Redes Inteligentes ....................................................................... 8

2.2

Macrotendências de Inovação Tecnológica em Redes Inteligentes ................................. 10

2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
2.2.8

2.3

Controle e Monitoração de Área Ampla ........................................................................................ 11
Integração de Tecnologias da Informação e Comunicações .......................................................... 12
Integração de Geração Renovável e Distribuída ............................................................................ 14
Aperfeiçoamento da Transmissão .................................................................................................. 15
Gerenciamento de Rede de Distribuição ........................................................................................ 16
Infraestrutura Avançada de Medição ............................................................................................. 17
Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos ................................................................................ 18
Sistemas do Lado Consumidor ....................................................................................................... 19

Recomendações às Empresas de Eletroeletrônica de Pernambuco................................. 21

3

Conclusão....................................................................................................................... 24

4

Referências..................................................................................................................... 25
3

Índice de Tabelas
Tabela 1 – Sumário de Áreas Tecnológicas. Adaptado de (IEA, 2011)................................................................ 20
4

Índice de Figuras
Figura 1 – Caráter Evolivuto da Rede Elétrica Inteligente. Adaptado de (IEA, 2011). ......................................... 9
Figura 2 - Áreas Tecnológicas da REI. Adaptado de (IEA, 2011). ...................................................................... 10
Figura 3 - Sistema Interligado Nacional. Fonte: (Operador Nacional do Sistema, 2013) .................................. 11
Figura 4 - Arquitetura Básica da AMI. Fonte: (Electric Energy Publications, 2010) ......................................... 13
5

1

Introdução

Este relatório foi produzido no âmbito no projeto CICTEC - Centro de Inteligência
Competitiva para Parques Tecnológicos, e apresenta o contexto da inovação e tecnologia para
o setor de Eletroeletrônica, abordando em especial as tecnologias de Rede Elétrica Inteligente
no Brasil e no Mundo, principalmente diante das transformações decorrentes do novo
paradigma digital, e as oportunidades de inovação decorrentes destes cenários para as
empresas pernambucanas destes setores. .
O documento trata das tendências para a Eletroeletrônica, nele as tecnologias de
Redes Inteligentes são analisadas de modo a identificar-se as oportunidades de inovação para
as empresas do ParqTel. A análise desta tecnologia parte do entendimento que uma rede
elétrica é um sistema extremamente complexo, em particular consideradas as proporções
continentais do Brasil. A automação desse sistema é o próximo passo tecnológico nesta área,
através do emprego de sensores, atuadores, sistemas computacionais e de telecomunicações,
seja para melhor observar o estado instantâneo e as tendências futuras do sistema, seja para
planejar, executar e verificar as mudanças necessárias para mantê-lo estável ou levá-lo para
um novo estado desejado.
6

2

Análise das Tendências de Inovação Tecnológica em Eletroeletrônica

Nos dias atuais, especialmente nas grandes cidades das nações desenvolvidas, a
percepção das pessoas sobre a energia elétrica é próxima daquela que têm sobre o ar que
respiram: simplesmente está lá e só se dão conta da sua existência quando lhes falta. Apesar
disso, a vasta infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica
necessária para que este recurso esteja disponível nas dezenas ou centenas de milhões de
tomadas de um grande país se constitui em um gigantesco e complexo “sistema de sistemas”.
Cada um desses assim chamados Sistemas Elétricos de Potência (SEPs) é essencialmente
uma única máquina de proporções nacionais. No caso de países continentais como o Brasil e
os EUA, e por diversos critérios que se queira adotar, eles podem ser considerados, de fato, as
maiores e mais complexas máquinas já construídas pelo homem.
A Academia Nacional de Engenharia dos EUA elegeu a eletrificação em massa como
a maior conquista de engenharia do século 20 (NAE, 2003). Muito embora esse seja de fato o
caso, esses sistemas não passaram por inovações tecnológicas significativas nos últimos 50
anos. Sob uma perspectiva internacional, e adotando o grau de penetração no mercado e nas
redes como métrica de relevância, a última delas foi a introdução de usinas geradoras
nucleares nos anos 1950, as quais hoje respondem por pouco menos de 6% da produção total
de energia do planeta e por pouco mais de 10% se considerados apenas os países da OECD
(IEA, 2012). A infraestrutura existente está envelhecida e os sistemas de controle, em
especial, podem ser grandemente aperfeiçoados.
Ao mesmo tempo, as mudanças ambientais, tecnológicas, econômicas, políticas e
culturais que se acumularam nas últimas décadas vêm gradativamente impondo novos
desafios aos nossos SEPs. Para lidar com problemas como a mudança climática, ameaças à
segurança, aumento de perdas e interrupções no fornecimento, aumento de demanda,
desregulação dos mercados e níveis inéditos de dependência da sociedade, o sistema precisa
se tornar mais confiável, eficiente, adaptável e flexível.
Embora não exista uma definição-padrão para o conceito de Rede Elétrica Inteligente
(em inglês, Smart Grid), todas elas giram em torno da integração de tecnologias da
informação e comunicações avançadas à infraestrutura de geração, transmissão e distribuição
7

de energia elétrica, como forma de atingir os níveis superiores de confiabilidade, eficiência,
flexibilidade e diversas outras qualidades do sistema necessárias para enfrentar os desafios
mencionados acima. Basicamente, estamos falando do emprego de sensores, atuadores,
sistemas computacionais e de telecomunicações para aumentar a capacidade de entender o
estado instantâneo e as tendências futuras do sistema e de planejar, executar e verificar as
mudanças necessárias para mantê-lo estável ou levá-lo para um novo estado desejado. É
importante notar que os passos acima podem ser feitos com diversos graus de autonomia do
sistema para diferentes níveis de abstração e/ou diferentes funções. Um dos objetivos do
desenvolvimento da Rede Elétrica Inteligente é chegar, em alguns níveis ou grupos
funcionais, à automatização completa desse ciclo, exigindo dos operadores humanos apenas o
papel de supervisão.
8

2.1

Análise da Tecnologia de Redes Inteligentes

As características esperadas da Rede Elétrica Inteligente, segundo o Departamento de
Energia americano (DOE, 2009), podem ser agrupadas em 6 categorias básicas:
Habilita a participação consciente e informada dos consumidores na gestão do
sistema;
Acomoda todas as opções disponíveis de geração e armazenamento de energia;
Habilita a introdução de novos produtos, serviços e mercados;
Fornece a qualidade de energia necessária para toda a gama de usos;
Otimiza a utilização de ativos e aumenta a eficiência operacional; e
Opera de forma resiliente a distúrbios, ataques e desastres naturais.
Para o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, os benefícios esperados
do desenvolvimento e implantação da Rede Elétrica Inteligente incluem (NIST, 2010):
Aumentar a confiabilidade e qualidade da energia fornecida;
Otimizar a utilização de instalações e evitar a construção de usinas de reserva para
operação na ponta;
Aumentar a capacidade e a eficiência das redes de fornecimento existentes;
Melhorar a tolerância a falhas;
Habilitar manutenção preditiva e respostas auto regenerativas a perturbações no
sistema;
Facilitar expansão da implantação de fontes renováveis;
Acomodar geração distribuída;
Automatizar operação e manutenção;
Reduzir emissões de gases de efeito estufa através do suporte a veículos elétricos e
fontes alternativas;
Reduzir o consumo de petróleo através da redução de geração ineficiente nos períodos
de pico;
Apresentar oportunidades de melhoria da segurança da rede;
9

Habilitar transição para veículos elétricos plug-in e novas opções de armazenamento
de energia;
Aumentar escolhas dos consumidores.
A transição para a Rede Elétrica Inteligente é um processo gradativo e, de fato, já
está em andamento em todo o mundo, devendo acelerar fortemente nas próximas duas
décadas. Quando falamos de Rede Elétrica Inteligente (REI), estamos falando na verdade
de um conjunto de diversas tecnologias que serão desenvolvidas e implantadas em ritmos
diferentes. A Figura 1 ilustra esse caráter evolutivo da REI.

Figura 1 – Caráter Evolutivo da Rede Elétrica Inteligente. Adaptado de (IEA, 2011).
10

2.2

Macrotendências de Inovação Tecnológica em Redes Inteligentes

A realização da visão expressa pelo conceito de Rede Elétrica Inteligente exigirá a
incorporação de diversas novas tecnologias ao sistema elétrico atual na forma de novas
instalações, equipamentos e sistemas computacionais. Algumas dessas tecnologias já estão
maduras, enquanto outras se encontram ainda em fase de desenvolvimento. A Figura 2 ilustra
as principais áreas de implantação e desenvolvimento de tecnologias para a futura Rede
Elétrica Inteligente, de acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA, 2011).

Figura 2 - Áreas Tecnológicas da REI. Adaptado de (IEA, 2011).

Cada uma das áreas tecnológicas identificadas compreende diversas tecnologias
diferentes que precisam ser combinadas para construir as aplicações que capacitarão a futura
Rede Elétrica Inteligente. A introdução dessas tecnologias certamente acontecerá de forma
gradual, acompanhando a maturação de cada uma e a necessidade de compatibilizar objetivos
com viabilidade operacional e econômica.
11

2.2.1 Controle e Monitoração de Área Ampla

A supervisão e controle dos ativos de geração centralizada e transmissão, com o
intuito de otimizar o gerenciamento dos componentes, o comportamento e o desempenho do
sistema de potência, além de prevenir e corrigir falhas antes que elas causem interrupções,
são a área tecnológica mais desenvolvida nos SEPs através do mundo, com especial destaque
para o Brasil e seu Sistema Interligado Nacional (Operador Nacional do Sistema, 2013).

Figura 3 - Sistema Interligado Nacional. Fonte: (Operador Nacional do Sistema, 2013)

As principais inovações nessa área devem vir da introdução em escala de novos
sensores conhecidos como sincrofasores ou Unidades de Medição Fasorial (em inglês,
PMUs) e de novos algoritmos para análise dos dados gerados pelos mesmos. Sincrofasores,
distribuídos em pontos estratégicos da rede de transmissão, produzem medidas sincronizadas
12

de amplitude e ângulo de fase da tensão e corrente ao longo do tempo, permitindo a captura
precisa de diversas condições do sistema, como variações de frequência e níveis de potência
ativa e reativa instantâneos nos diferentes pontos. Esses dados podem então alimentar
especialistas humanos e/ou novos algoritmos de análise de dados e simulação para identificar
padrões de perturbação sistêmicos e sugerir (ou implementar de forma autônoma) estratégias
e manobras recomendadas para estabilização – quando executada em tempo real essa
abordagem é conhecida por Proteção, Controle e Automação Adaptativos em Área Ampla
(em inglês, WAAPCA).
É importante notar que os sincrofasores são uma tecnologia relativamente madura, já
com algumas implantações pelo mundo, mas os algoritmos de WAAPCA se encontram ainda
na fase de pesquisa. A utilização dessas tecnologias permitirá o aumento da capacidade e
confiabilidade do sistema de transmissão, especialmente em face da crescente diversificação
de fontes e cargas.

2.2.2 Integração de Tecnologias da Informação e Comunicações

A área de Tecnologia da Informação e Comunicações permeia todos os domínios da
Rede Elétrica Inteligente, na forma de equipamentos de comunicação, computadores e
softwares. Além de toda a TIC embarcada nos próprios equipamentos de potência, faz-se
necessária uma infraestrutura completa de telecomunicações para garantir os fluxos
bidirecionais de informação entre os diversos nós da rede elétrica, seja baseada em
instalações privadas das concessionárias de energia ou recorrendo a redes de operadoras de
telecomunicações (na maioria dos casos utilizando um misto dos dois). A arquitetura básica
dessa infraestrutura está ilustrada na Figura 4.
Diferentes tecnologias de comunicação de dados precisarão ser utilizadas para cobrir
todos os níveis de agregação de fluxos de dados e cenários de implantação. No nível de
acesso (também conhecido como última milha ou Neighborhood Area Network), as coisas
têm caminhado para uma combinação onde predominam tecnologias de rede sem fio do tipo
mesh (topologia flexível e autoconfigurável) baseadas no padrão IEEE 802.15.4 e soluções de
comunicação usando a própria rede elétrica, a chamada Power Line Communications (PLC).
13

A escolha entre essas duas abordagens principais precisa ser feita caso a caso e é
grandemente influenciada pela geografia e densidade de pontos de uso da área ser coberta,
além de outros fatores. Outras tecnologias, como Wi-Fi, certamente também encontrarão
aplicação em condições específicas.

Figura 4 - Arquitetura Básica da AMI. Fonte: (Electric Energy Publications, 2010)

Para o nível de interconexão (que ligas as redes de borda com o centro, também
conhecido como Wide Area Network), existe uma pletora de tecnologias maduras e
implantadas largamente, que incluem PDH, SDH, ATM e Metro Ethernet (sobre diversos
suportes físicos, como fibra e micro-ondas), e novas entrantes como WiMAX e LTE. Todas
elas atendem perfeitamente os requisitos da Rede Elétrica Inteligente e não esperamos
surpresas ou grandes avanços nessa área.
E para integrar essa enorme diversidade de tecnologias de transporte nos diversos
níveis da rede existe outra tecnologia testada e aprovada pela indústria de telecomunicações
em escala global: A suíte de Protocolos da Internet. A camada de comunicações da Rede
Elétrica Inteligente deverá ter como sua espinha dorsal o suporte ao IP nativo.
14

Além de toda essa demanda por capacidade de comunicação, a enorme massa de
dados que será produzida por sensores os mais diversos precisará ser transformada em
informação aplicável na tomada de decisões em todos os níveis, desde o automatizado em
tempo real ao humano estratégico. Isto significa software de alta complexidade e massivas
quantidades de processamento e armazenamento, configurando um cenário aparentemente
propício para a abordagem de computação em nuvem.

2.2.3 Integração de Geração Renovável e Distribuída

Acomodar um grande número de fontes de regime variável e dispersas
geograficamente exigirá o desenvolvimento e implantação de tecnologias que ataquem o
problema de duas direções: Diminuição do acoplamento entre produção e entrega de
eletricidade, através da criação de buffers energéticos escaláveis, baratos e eficientes, e
aumento da capacidade de coordenação e controle não apenas de fontes, mas também de
cargas.
Essa é uma área tecnológica que está se desenvolvendo rapidamente e deve trazer
grandes avanços na forma de equipamentos de condicionamento de energia em larga escala,
eletrônica e software embarcados de medição e controle para sistemas de geração e novas
tecnologias de armazenamento de energia.
Um salto também será necessário na sofisticação dos sistemas de informação que
suportam a operação do sistema elétrico de potência (EMS, DMS, OMS, SCADA, GIS) para
que eles possam modelar apropriadamente esses novos componentes do sistema (ver seção
2.2.2).
15

2.2.4 Aperfeiçoamento da Transmissão

O grande objetivo desta área tecnológica é aumentar a estabilidade e eficiência das
linhas de transmissão de alta tensão e potência, problema tão mais importante quanto mais
interconectado é o sistema de transmissão. E o sistema de transmissão de uma Rede Elétrica
Inteligente é, por definição, altamente interligado, uma vez que precisa suportar a
desregulação na compra e venda de energia.
As inovações nessa área são muitas, entre elas:
Sistemas de Transmissão AC Flexíveis (em inglês, FACTS);
Avaliação Dinâmica de Linha (DLR) e
Supercondutores em Alta Temperatura (HTS).
A tecnologia FACTS é basicamente o uso de eletrônica de (alta) potência
(especialmente tiristores) para viabilizar o chaveamento ultra-rápido de bancos de capacitores
e indutores para dentro e para fora da linha de transmissão e dessa forma atingir um controle
fino da potência reativa circulando no sistema. Esse controle fino permite maximizar a
transferência de potência útil e regular a tensão na linha, aumentando eficiência e a
estabilidade do sistema e a qualidade da energia fornecida.
No caso da DLR, o objetivo é utilizar as linhas de transmissão em sua capacidade
máxima instantânea ao invés de nivelar por valores de pior caso. Acontece que a capacidade
de carga de uma linha de transmissão depende de condições ambientais que variam ao longo
do tempo, como, por exemplo, a temperatura e a umidade relativa do ar. A DLR prevê o
emprego de sensores ao longo da linha para determinar os valores atuais de parâmetros
ambientais e ajustar a utilização da linha em tempo real, obtendo níveis de utilização
superiores aos permitidos por uma estratégia estática ou simplesmente sazonal.
Por fim, o uso de HTS tem grande potencial de redução de perdas de transmissão e de
viabilização econômica de dispositivos limitadores de corrente de falha em linhas de
transmissão (em inglês, FCLs). O fato de esses supercondutores funcionarem em
temperaturas relativamente altas permite a substituição do hélio líquido, caro e de difícil
manuseio, por fluidos resfriadores mais baratos e seguros como nitrogênio. Os FCLs,
16

especialmente, são avidamente esperados pela indústria como solução para o problema
clássico de controle da corrente de falha, à medida que a rede vai sendo expandida e os
valores máximos vão crescendo e tornando as proteções instaladas subdimensionadas. FCLs
baseados em tecnologia HTS seriam uma solução economicamente viável de limitação de
corrente de falha, sem o efeito colateral de inserção de impedâncias espúrias significativas,
característico de outras abordagens.
De uma forma geral, as tecnologias nesta área estão relativamente maduras, com
exceção dos dispositivos HTS, que ainda requerem maior desenvolvimento para serem
utilizados em escala comercial.

2.2.5 Gerenciamento de Rede de Distribuição

Entenda-se por gerenciamento da rede de distribuição essencialmente a transposição
de todas aquelas tecnologias e ferramentas já utilizadas em alguma medida nos segmentos de
geração e transmissão agora para os estágios de baixa tensão do sistema elétrico de potência.
A instrumentação da rede elétrica com sensores e atuadores para medição e controle, a
integração de uma infraestrutura de comunicação e análise de dados, a acomodação da
geração distribuída de pequeno porte de forma segura, através da utilização de buffers de
armazenamento de energia e coordenação automatizada de despachos, a garantia da
estabilidade e eficiência do sistema através do controle fino da potência reativa e métodos
automatizados de proteção e recuperação de falhas, tudo isso precisará ser adaptado e
estendido para o domínio da baixa potência e alta capilaridade e complexidade topológica.
De forma análoga ao aperfeiçoamento da transmissão (ver seção 2.2.4), mas em maior
volume e com maior diversidade, são várias as tecnologias que estão sendo incorporadas à
rede de distribuição, entre elas:
Capacitores, chaves seccionadoras e chaves religadoras automatizadas;
Geração e armazenamento distribuídos e controlados remotamente;
Sensores embarcados nos transformadores;
Sensores de fios e cabos;
Sistemas de informação sofisticados de suporte à operação: GIS, OMS, DMS
17

Essa é uma área tecnológica ainda em desenvolvimento e que apresenta um ritmo
moderado de adoção. Uma aceleração é esperada à medida que as outras áreas correlatas do
domínio de distribuição ganhem tração (ver seções 2.2.6, 2.2.7 e 2.2.8).

2.2.6 Infraestrutura Avançada de Medição

A implantação de uma Infraestrutura Avançada de Medição (em inglês, AMI) similar
à ilustrada na Figura 4 pode ser considerada a ponta de lança da Rede Elétrica Inteligente.
Uma vez que estejam no lugar medidores eletrônicos inteligentes e a infraestrutura de
comunicação de dados associada, uma imensa capacidade de sensoriamento e atuação estará
disponível, o que habilitará a adoção de técnicas sofisticadas de gerenciamento da rede de
distribuição e também a implantação de processos de gerenciamento pelo lado da demanda.

As tecnologias-chave nesta área são todas maduras e largamente utilizadas em
diversas indústrias e domínios de aplicação:
Medidores inteligentes: Não são mais que um módulo metrológico de estado sólido
(sensor, conversor A/D e processador digital de sinais) conectado a um computador
embarcado equipado com capacidade de armazenamento e comunicação de dados,
todas elas tecnologias estabelecidas há décadas;
Infraestrutura de comunicação de dados: Já discutida na seção 2.2.2;
Sistemas de Retaguarda: Sistemas de informação que suportam o processo de
medição automatizada (Head-End Systems e Meter Data Management System).

Com as tecnologias de base todas consolidadas, as grandes inovações nessa área
deverão vir das aplicações construídas sobre essa infraestrutura e que cruzem as fronteiras
com as outras áreas vizinhas: Gerenciamento da Distribuição (seção 2.2.5), Infraestrutura de
Carga de Veículos Elétricos (seção 2.2.7) e Sistemas do Lado Consumidor (seção 2.2.8).
Possíveis aplicações incluirão, além da própria medição tradicional de consumo:
18

Diagnóstico e Localização de Falhas na Rede Elétrica;
Detecção de Fraude;
Pré-pagamento de Energia Elétrica;
Resposta a Demanda e Controle de Carga (DRLC);
Serviços de Gerenciamento de Energia;
Automação Predial;
Cobrança individualizada de carga de veículos elétricos.

2.2.7 Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos

Embora a grande maioria dos veículos elétricos recarregáveis possa realizar a recarga
a partir de uma tomada convencional, a adoção em massa dos mesmos exigirá a
disponibilização de uma infraestrutura pública de recarga que dê aos motoristas maiores
autonomia, agilidade e independência de acesso a instalações privadas.
Uma infraestrutura de carga precisa, além de fornecer a função básica de carga,
resolver questões de cobrança, agendamento e cooperação com a rede elétrica para fins de
estabilidade e eficiência sistêmica. As tecnologias que estarão no centro dessa solução já
estão identificadas:
Carregadores Rápidos Inteligentes: Fornecem corrente contínua em alta tensão
diretamente para a bateria do veículo, contornando o circuito de carga interno do
mesmo e possibilitando tempos de carga abaixo de 30 minutos. Além de fornecer
energia, estabelecem também uma conexão de dados com o veículo que permite troca
de parâmetros de carga, ajuste dinâmico do fluxo de potência e mecanismos de
segurança como intertravamento (safety interlock);
Infraestrutura de Comunicação de Dados: Já discutida na seção 2.2.2;
Aplicações de Software e Protocolos: Sistemas de informação distribuídos que
implementam funções como Cobrança, Agendamento Rede-para-Veículo (Grid-toVehicle), Regulação Veículo-para-Rede (Vehicle-to-Grid) e integração com outras
áreas tecnológicas (AMI, DMS, Sistemas do Lado Consumidor).
19

As tecnologias acima encontram-se ainda em fase de desenvolvimento, com
diferentes graus de maturação, mas avançando rápido. As funções mais básicas de
carregamento rápido e cobrança já se encontram em teste no mercado, enquanto mecanismos
mais sofisticados de apoio à rede elétrica devem vir no longo prazo. É o caso do auxílio à
estabilização e regulação da rede através do fornecimento de reservas de capacidade,
substituição de geração na ponta (peak load shaving) e buffers de energia.

2.2.8 Sistemas do Lado Consumidor

Habilitar a participação consciente e informada dos consumidores na gestão do
sistema elétrico é um dos principais objetivos e benefícios esperados da Rede Elétrica
Inteligente. Acredita-se que significativos ganhos de eficiência e redução de consumo de pico
podem ser conseguidos com a inclusão de consumidores e seus eletrodomésticos na cadeia de
decisão e controle que regula o sistema como um todo, bem como com a disseminação de
tecnologias de geração e armazenamento local de energia.

Os Sistemas do Lado Consumidor compreendem todas as tecnologias que ajudam a
gerenciar o consumo de energia nos níveis industriais, comerciais e residenciais, incluindo:
Eletrodomésticos Inteligentes: Fornecem uma interface programática padronizada
para recebimento de sinais de preço e controle, de forma a possibilitar a integração
com sistemas de Resposta a Demanda e Controle de Carga (em inglês, DRLC);
Sistemas de Automação Predial: Sistemas distribuídos de sensores, atuadores e
controladores que monitoram e controlam o desempenho e saúde dos sistemas
mecânicos, elétricos e de iluminação de uma instalação predial; precisam também
fornecer uma interface para integração com DRLC;
Geração Local: Eletrônica e software embarcados de medição e controle para sistemas
de geração e armazenamento de pequeno porte; novas tecnologias de armazenamento
doméstico;
20

Armazenamento Local: O maior avanço nessa área tem sido o uso de acumuladores
térmicos, que permitem o armazenamento de energia em forma de calor e têm se
mostrado eficazes como forma de aumentar a viabilidade da geração solar; esses
dispositivos são basicamente tanques de água com alta isolação térmica e um
mecanismo de aquecimento como, por exemplo, uma bomba de calor;
Aplicações de Software e Protocolos: Sistemas de Gerenciamento de Energia,
aplicações para smartphones e tablets, todos integrados com DRLC.
Muita inovação está acontecendo nessa área tecnológica, que se beneficia da enorme
capacidade de processamento e comunicação de dados atualmente disponível em ambientes
típicos residenciais, comerciais ou industriais. As maiores dúvidas se referem a questões
comportamentais dos consumidores como, por exemplo, qual a melhor proporção entre
mudança de comportamento estimulada e controle automatizado de carga. Vários projetos de
pesquisam investigam essas questões ainda sem resultados conclusivos. A Tabela 1 traz um
resumo de todas as áreas tecnológicas apresentadas acima.
Tabela 1 – Sumário de Áreas Tecnológicas. Adaptado de (IEA, 2011).
Área Tecnológica

Hardware

Sistemas e Software

Controle e Monitoração
de Área Ampla

Sincrofasores e outros sensores

Integração de
Tecnologias da Informação e Comunicações
Integração de Geração
Renovável e Distribuída

Equipamentos de rede (rádios, switches,
roteadores, gateways) e computadores

Controle Supervisório e Aquisição de
Dados (SCADA), Sistemas de Monitoração
de Área Ampla (WAMS), Proteção,
Controle e Automação Adaptativos em
Área Ampla (WAAPCA), Consciência
Situacional de Área Ampla (WASA)
Sistemas Corporativos (ERP), Sistemas de
Gestão de Clientes (CIS)

Equipamentos estabilizadores de alta
potência, hardware de controle e
comunicação para geração e tecnologias
de armazenamento
HTS, FACTS, HVDC

Sistemas de Gerenciamento de Energia
(EMS), Sistemas de Gerenciamento da
Distribuição (DMS), SCADA, Sistemas de
Informação Geográfica (GIS)
Análise de Estabilidade de Rede, Sistemas
de Recuperação Automática

Capacitores, seccionadoras e religadoras
automatizadas, geração e
armazenamento distribuídos e
controlados remotamente, sensores de
fios, cabos e transformadores
Medidores inteligentes, concentradores,
equipamentos de rede

GIS, DMS, Sistemas de Gerenciamento de
Faltas (OMS), Sistemas de Gerenciamento
de Ordens de Serviços (WMS)

Infraestrutura de Carga
de Veículos Elétricos

Estações de Carga

Sistemas de cobrança, Sistemas de
coordenação veículo-rede

Sistemas do Lado
Consumidor

Eletrodomésticos inteligentes, sistemas
de automação predial, acumuladores
térmicos

Sistemas de gerenciamento de energia

Aperfeiçoamento da
Transmissão
Gerenciamento de Rede
de Distribuição

Infraestrutura Avançada
de Medição

Sistema Head-end, Sistema de Gerenciamento de Dados de Medição (MDMS)
21

2.3

Recomendações às Empresas de Eletroeletrônica de Pernambuco

A evolução dos Sistemas Elétricos de Potência em direção à visão sintetizada pelo
conceito de Rede Elétrica Inteligente oferece, claramente, um enorme número de
oportunidades para fornecedores de componentes, equipamentos, sistemas e serviços. Ao
mesmo tempo, a estratégia recomendada para as empresas do ParTel, como forma de manter
o risco em níveis moderados, é explorar novas oportunidades que exijam a aplicação de
tecnologias que já estejam em uso pelas próprias empresas ou pelo mercado em geral
(Peixoto & Macedo, 2013). Na verdade, sob uma perspectiva unicamente de controle de
riscos tecnológicos, quanto mais próximas as oportunidades estiverem do domínio de
aplicação e das competências essenciais dominadas pelas empresas, melhor.
Com base nessa estratégia geral e analisando a paisagem tecnológica descrita
anteriormente, podemos tecer algumas considerações e levantar algumas hipóteses para
futuras análises e estudos específicos.
As áreas tecnológicas classificadas como Integração de Tecnologias da Informação e
Comunicações (seção 2.2.2) e Infraestrutura Avançada de Medição (seção 2.2.6) são
candidatas óbvias a serem exploradas pelas empresas do parque, especialmente Elcoma e
Serttel. São áreas tecnológicas maduras e intensivas em conhecimentos e capacidades
dominados por ambas as empresas (internamente ou através de parceiros), notadamente a
integração

de

sistemas

de

TIC,

o

desenvolvimento

de

software

e

o

desenvolvimento/integração de equipamentos eletrônicos de baixa potência e complexidade.
Além disso, são áreas onde se espera um crescimento acelerado nos próximos anos.
Exemplos de oportunidades nessas áreas são o fornecimento de:
Serviços de comunicação de dados para as aplicações da Rede Elétrica Inteligente;
Sistemas de AMI: Medidores inteligentes, módulos de comunicação, concentradores,
sistemas head-end;
Serviços de instalação, operação e manutenção da AMI.
Em um segundo nível de risco encontramos a área de Sistemas do Lado Consumidor
(seção 2.2.8). As tecnologias nessa área estão em fases diversas de maturidade, mas avançam
rápido e têm absorção relativamente fácil. Levando em consideração algumas das disciplinas
22

e competências envolvidas, como integração de sistemas de automação e controle,
desenvolvimento/integração de eletrônica industrial e desenvolvimento de software, essa área
poderia ser uma boa avenida para as empresas Tron, Neiva’s e Serttel. Entre as possíveis
oportunidades a explorar teríamos:
Equipamentos Industriais com suporte a DRLC;
Sistemas ou serviços de Automação Predial com suporte a protocolos de DRLC;
Sistemas ou serviços de Gerenciamento de Energia para consumidores industriais,
comerciais e residenciais com suporte a DRLC.
Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos (seção 2.2.7) forma o nível três de risco
tecnológico, com tecnologias ainda em desenvolvimento e de absorção mais difícil quando
comparadas com o nível dois, mas com tendência de crescimento acelerado nos próximos
anos. As principais capacidades requeridas nessa área são integração de sistemas e
desenvolvimento/integração de equipamentos eletrônicos de alta potência. Embora a
tecnologia dos componentes básicos envolva conhecimentos e habilidades fora da experiência
central das empresas do parque, existe espaço para integração de sistemas no nível da estação
de carga e, principalmente, do serviço final. Considerando a experiência da Serttel em prover
serviços de operação e manutenção de equipamentos urbanos, o desenvolvimento de um
Serviço de Carga de Veículos Elétricos pode fazer sentido.
As áreas tecnológicas restantes – Controle e Monitoração de Área Ampla (2.2.1),
Integração de Geração Renovável e Distribuída (2.2.3), Aperfeiçoamento da Transmissão
(2.2.4) e Gerenciamento de Rede de Distribuição (2.2.5) – formam um último nível de risco
mais alto. Todas elas têm tecnologias ainda em desenvolvimento e, principalmente, bastante
deslocadas em relação aos domínios de aplicação e competências das empresas do Parqtel.
Ainda assim, algumas possibilidades podem ser vislumbradas, especialmente para as
empresas Neiva’s e Tron, caso queiram explorar um pouco mais longe:
Sensores de linhas e cabos conectados em rede para uso em aplicações de Avaliação
Dinâmica de Linha nas redes de transmissão e distribuição;
Capacitores e dispositivos de manobra automatizados.
Reiteramos que as considerações e hipóteses levantadas nesta seção são preliminares
e unicamente baseadas em aspectos tecnológicos. Quaisquer decisões de investimentos
23

requereriam uma análise muito mais detalhada e que incorporasse diversas outras questões,
entre elas aspectos de mercado, aspectos financeiros e aspectos operacionais, além de um
aprofundamento da própria questão tecnológica.
24

3

Conclusão

Neste relatório, apresentamos algumas das principais tendências e oportunidades de
inovação tecnológica que impactam no setor de Eletroeletrônica especificamente no que se
refere a área de Redes Eletricas Inteligentes.
Vimos que área de Tecnologia da Informação e Comunicações permeia todos os
domínios da Rede Elétrica Inteligente, na forma de equipamentos de comunicação,
computadores e softwares. E que todas giram em torno da integração de tecnologias da
informação e comunicações avançadas à infraestrutura de geração, transmissão e distribuição
de energia elétrica, como forma de atingir os níveis superiores de confiabilidade, eficiência e
flexibilidade.
Também vimos que uma rede elétrica é um sistema extremamente complexo, assim a
automação desse sistema deverá ser o próximo passo tecnológico para o setor, que deve
adotar o emprego de sensores e sistemas computacionais e de telecomunicações a fim de
melhor aproveitar as tendências futuras do sistema.
Por fim, no contexto local, demonstramos como o conceito de Rede Elétrica
Inteligente oferece um leque de oportunidades para as empresas pernambucana, como
fornecedores de componentes, equipamentos, sistemas e serviços. Assim, sugerimos reduzir
os risco nesta fase inicial de entrada no mercado através da aplicação de tecnologias que já
estejam em uso pelas próprias empresas do setor.
25

4

Referências

Centro de Gestão e Estudos Estratégicos. (2012). Redes Elétricas Inteligentes: Contexto
Nacional.
DOE. (2009). Smart Grid System Report. Acesso em Maio de 2013, disponível em
http://www.smartgrid.gov/sites/default/files/pdfs/sgsr_main.pdf
Electric Energy Publications. (2010). Internet Standards Come to the Advanced Metering
Infrastructure. Acesso em Maio de 2013, disponível em Electric Energy Online:
http://www.electricenergyonline.com/?page=show_article&article=525
Empresa de Pesquisa Energética. (2012). Projeção da Demanda de Energia Elétrica.
IEA. (2011). Technology Roadmap - Smart Grids. Acesso em Maio de 2013, disponível em
http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/smartgrids_roadmap.pdf
IEA. (2012). Key World Energy Statistics 2012. Acesso em Maio de 2013, disponível em
http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/kwes.pdf
Ipakchi, A. (2007). Implementing The Smart Grid: Enterprise Information Integration.
Acesso em Maio de 2013, disponível em GridWise Architecture Council:
http://www.gridwiseac.org/pdfs/forum_papers/121_122_paper_final.pdf
Lerner, E. J. (2003). Whats Wrong with The Electric Grid. Acesso em Maio de 2013,
disponível em The Industrial Phycisist: http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-9/iss5/p8.pdf
Ministério das Minas e Energia. (2010). Smart Grid.
NAE. (2003). Greatest Engineering Achievements of The 20th Century. Acesso em Maio de
2013, disponível em http://greatachievements.org/
NIST. (2010). NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards.
NIST. (2012). Cyber-Physical Systems: Situation Analysis of Current Trends, Technologies
and Chalenges.
26

Operador Nacional do Sistema. (2013). Conheça o Sistema - O que é o SIN - Sistema
Interligado Nacional. Acesso em Maio de 2013, disponível em Operador Nacional do
Sistema Elétrico: http://www.ons.org.br/conheca_sistema/o_que_e_sin.aspx
Peixoto, E., & Macedo, B. (2013). Levantamento do Contexto e Oportunidades de Negócio
para as Empresas do ParqTel. Recife.
Universidade de Campinas. (2005). O Sistema Elétrico Brasileiro. Acesso em Maio de 2013,
disponível em http://www.dca.fee.unicamp.br/projects/vdx/siqueira/eletr.html

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Tendências de inovações tecnológicas para o setor de rede elétrica inteligente

  • 1. Tendências de Inovações Tecnológicas para o setor de Rede Elétrica Inteligente Outubro/2013 Relatório preparado pela Cysneiros Consultores Associados para a Secretaria de Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco. Pesquisador Responsável Eletroeletrônica: Eduardo Peixoto
  • 2. 2 Sumário 1 Introdução........................................................................................................................ 5 2 Análise das Tendências de Inovação Tecnológica em Eletroeletrônica ....................... 6 2.1 Análise da Tecnologia de Redes Inteligentes ....................................................................... 8 2.2 Macrotendências de Inovação Tecnológica em Redes Inteligentes ................................. 10 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.3 Controle e Monitoração de Área Ampla ........................................................................................ 11 Integração de Tecnologias da Informação e Comunicações .......................................................... 12 Integração de Geração Renovável e Distribuída ............................................................................ 14 Aperfeiçoamento da Transmissão .................................................................................................. 15 Gerenciamento de Rede de Distribuição ........................................................................................ 16 Infraestrutura Avançada de Medição ............................................................................................. 17 Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos ................................................................................ 18 Sistemas do Lado Consumidor ....................................................................................................... 19 Recomendações às Empresas de Eletroeletrônica de Pernambuco................................. 21 3 Conclusão....................................................................................................................... 24 4 Referências..................................................................................................................... 25
  • 3. 3 Índice de Tabelas Tabela 1 – Sumário de Áreas Tecnológicas. Adaptado de (IEA, 2011)................................................................ 20
  • 4. 4 Índice de Figuras Figura 1 – Caráter Evolivuto da Rede Elétrica Inteligente. Adaptado de (IEA, 2011). ......................................... 9 Figura 2 - Áreas Tecnológicas da REI. Adaptado de (IEA, 2011). ...................................................................... 10 Figura 3 - Sistema Interligado Nacional. Fonte: (Operador Nacional do Sistema, 2013) .................................. 11 Figura 4 - Arquitetura Básica da AMI. Fonte: (Electric Energy Publications, 2010) ......................................... 13
  • 5. 5 1 Introdução Este relatório foi produzido no âmbito no projeto CICTEC - Centro de Inteligência Competitiva para Parques Tecnológicos, e apresenta o contexto da inovação e tecnologia para o setor de Eletroeletrônica, abordando em especial as tecnologias de Rede Elétrica Inteligente no Brasil e no Mundo, principalmente diante das transformações decorrentes do novo paradigma digital, e as oportunidades de inovação decorrentes destes cenários para as empresas pernambucanas destes setores. . O documento trata das tendências para a Eletroeletrônica, nele as tecnologias de Redes Inteligentes são analisadas de modo a identificar-se as oportunidades de inovação para as empresas do ParqTel. A análise desta tecnologia parte do entendimento que uma rede elétrica é um sistema extremamente complexo, em particular consideradas as proporções continentais do Brasil. A automação desse sistema é o próximo passo tecnológico nesta área, através do emprego de sensores, atuadores, sistemas computacionais e de telecomunicações, seja para melhor observar o estado instantâneo e as tendências futuras do sistema, seja para planejar, executar e verificar as mudanças necessárias para mantê-lo estável ou levá-lo para um novo estado desejado.
  • 6. 6 2 Análise das Tendências de Inovação Tecnológica em Eletroeletrônica Nos dias atuais, especialmente nas grandes cidades das nações desenvolvidas, a percepção das pessoas sobre a energia elétrica é próxima daquela que têm sobre o ar que respiram: simplesmente está lá e só se dão conta da sua existência quando lhes falta. Apesar disso, a vasta infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica necessária para que este recurso esteja disponível nas dezenas ou centenas de milhões de tomadas de um grande país se constitui em um gigantesco e complexo “sistema de sistemas”. Cada um desses assim chamados Sistemas Elétricos de Potência (SEPs) é essencialmente uma única máquina de proporções nacionais. No caso de países continentais como o Brasil e os EUA, e por diversos critérios que se queira adotar, eles podem ser considerados, de fato, as maiores e mais complexas máquinas já construídas pelo homem. A Academia Nacional de Engenharia dos EUA elegeu a eletrificação em massa como a maior conquista de engenharia do século 20 (NAE, 2003). Muito embora esse seja de fato o caso, esses sistemas não passaram por inovações tecnológicas significativas nos últimos 50 anos. Sob uma perspectiva internacional, e adotando o grau de penetração no mercado e nas redes como métrica de relevância, a última delas foi a introdução de usinas geradoras nucleares nos anos 1950, as quais hoje respondem por pouco menos de 6% da produção total de energia do planeta e por pouco mais de 10% se considerados apenas os países da OECD (IEA, 2012). A infraestrutura existente está envelhecida e os sistemas de controle, em especial, podem ser grandemente aperfeiçoados. Ao mesmo tempo, as mudanças ambientais, tecnológicas, econômicas, políticas e culturais que se acumularam nas últimas décadas vêm gradativamente impondo novos desafios aos nossos SEPs. Para lidar com problemas como a mudança climática, ameaças à segurança, aumento de perdas e interrupções no fornecimento, aumento de demanda, desregulação dos mercados e níveis inéditos de dependência da sociedade, o sistema precisa se tornar mais confiável, eficiente, adaptável e flexível. Embora não exista uma definição-padrão para o conceito de Rede Elétrica Inteligente (em inglês, Smart Grid), todas elas giram em torno da integração de tecnologias da informação e comunicações avançadas à infraestrutura de geração, transmissão e distribuição
  • 7. 7 de energia elétrica, como forma de atingir os níveis superiores de confiabilidade, eficiência, flexibilidade e diversas outras qualidades do sistema necessárias para enfrentar os desafios mencionados acima. Basicamente, estamos falando do emprego de sensores, atuadores, sistemas computacionais e de telecomunicações para aumentar a capacidade de entender o estado instantâneo e as tendências futuras do sistema e de planejar, executar e verificar as mudanças necessárias para mantê-lo estável ou levá-lo para um novo estado desejado. É importante notar que os passos acima podem ser feitos com diversos graus de autonomia do sistema para diferentes níveis de abstração e/ou diferentes funções. Um dos objetivos do desenvolvimento da Rede Elétrica Inteligente é chegar, em alguns níveis ou grupos funcionais, à automatização completa desse ciclo, exigindo dos operadores humanos apenas o papel de supervisão.
  • 8. 8 2.1 Análise da Tecnologia de Redes Inteligentes As características esperadas da Rede Elétrica Inteligente, segundo o Departamento de Energia americano (DOE, 2009), podem ser agrupadas em 6 categorias básicas: Habilita a participação consciente e informada dos consumidores na gestão do sistema; Acomoda todas as opções disponíveis de geração e armazenamento de energia; Habilita a introdução de novos produtos, serviços e mercados; Fornece a qualidade de energia necessária para toda a gama de usos; Otimiza a utilização de ativos e aumenta a eficiência operacional; e Opera de forma resiliente a distúrbios, ataques e desastres naturais. Para o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, os benefícios esperados do desenvolvimento e implantação da Rede Elétrica Inteligente incluem (NIST, 2010): Aumentar a confiabilidade e qualidade da energia fornecida; Otimizar a utilização de instalações e evitar a construção de usinas de reserva para operação na ponta; Aumentar a capacidade e a eficiência das redes de fornecimento existentes; Melhorar a tolerância a falhas; Habilitar manutenção preditiva e respostas auto regenerativas a perturbações no sistema; Facilitar expansão da implantação de fontes renováveis; Acomodar geração distribuída; Automatizar operação e manutenção; Reduzir emissões de gases de efeito estufa através do suporte a veículos elétricos e fontes alternativas; Reduzir o consumo de petróleo através da redução de geração ineficiente nos períodos de pico; Apresentar oportunidades de melhoria da segurança da rede;
  • 9. 9 Habilitar transição para veículos elétricos plug-in e novas opções de armazenamento de energia; Aumentar escolhas dos consumidores. A transição para a Rede Elétrica Inteligente é um processo gradativo e, de fato, já está em andamento em todo o mundo, devendo acelerar fortemente nas próximas duas décadas. Quando falamos de Rede Elétrica Inteligente (REI), estamos falando na verdade de um conjunto de diversas tecnologias que serão desenvolvidas e implantadas em ritmos diferentes. A Figura 1 ilustra esse caráter evolutivo da REI. Figura 1 – Caráter Evolutivo da Rede Elétrica Inteligente. Adaptado de (IEA, 2011).
  • 10. 10 2.2 Macrotendências de Inovação Tecnológica em Redes Inteligentes A realização da visão expressa pelo conceito de Rede Elétrica Inteligente exigirá a incorporação de diversas novas tecnologias ao sistema elétrico atual na forma de novas instalações, equipamentos e sistemas computacionais. Algumas dessas tecnologias já estão maduras, enquanto outras se encontram ainda em fase de desenvolvimento. A Figura 2 ilustra as principais áreas de implantação e desenvolvimento de tecnologias para a futura Rede Elétrica Inteligente, de acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA, 2011). Figura 2 - Áreas Tecnológicas da REI. Adaptado de (IEA, 2011). Cada uma das áreas tecnológicas identificadas compreende diversas tecnologias diferentes que precisam ser combinadas para construir as aplicações que capacitarão a futura Rede Elétrica Inteligente. A introdução dessas tecnologias certamente acontecerá de forma gradual, acompanhando a maturação de cada uma e a necessidade de compatibilizar objetivos com viabilidade operacional e econômica.
  • 11. 11 2.2.1 Controle e Monitoração de Área Ampla A supervisão e controle dos ativos de geração centralizada e transmissão, com o intuito de otimizar o gerenciamento dos componentes, o comportamento e o desempenho do sistema de potência, além de prevenir e corrigir falhas antes que elas causem interrupções, são a área tecnológica mais desenvolvida nos SEPs através do mundo, com especial destaque para o Brasil e seu Sistema Interligado Nacional (Operador Nacional do Sistema, 2013). Figura 3 - Sistema Interligado Nacional. Fonte: (Operador Nacional do Sistema, 2013) As principais inovações nessa área devem vir da introdução em escala de novos sensores conhecidos como sincrofasores ou Unidades de Medição Fasorial (em inglês, PMUs) e de novos algoritmos para análise dos dados gerados pelos mesmos. Sincrofasores, distribuídos em pontos estratégicos da rede de transmissão, produzem medidas sincronizadas
  • 12. 12 de amplitude e ângulo de fase da tensão e corrente ao longo do tempo, permitindo a captura precisa de diversas condições do sistema, como variações de frequência e níveis de potência ativa e reativa instantâneos nos diferentes pontos. Esses dados podem então alimentar especialistas humanos e/ou novos algoritmos de análise de dados e simulação para identificar padrões de perturbação sistêmicos e sugerir (ou implementar de forma autônoma) estratégias e manobras recomendadas para estabilização – quando executada em tempo real essa abordagem é conhecida por Proteção, Controle e Automação Adaptativos em Área Ampla (em inglês, WAAPCA). É importante notar que os sincrofasores são uma tecnologia relativamente madura, já com algumas implantações pelo mundo, mas os algoritmos de WAAPCA se encontram ainda na fase de pesquisa. A utilização dessas tecnologias permitirá o aumento da capacidade e confiabilidade do sistema de transmissão, especialmente em face da crescente diversificação de fontes e cargas. 2.2.2 Integração de Tecnologias da Informação e Comunicações A área de Tecnologia da Informação e Comunicações permeia todos os domínios da Rede Elétrica Inteligente, na forma de equipamentos de comunicação, computadores e softwares. Além de toda a TIC embarcada nos próprios equipamentos de potência, faz-se necessária uma infraestrutura completa de telecomunicações para garantir os fluxos bidirecionais de informação entre os diversos nós da rede elétrica, seja baseada em instalações privadas das concessionárias de energia ou recorrendo a redes de operadoras de telecomunicações (na maioria dos casos utilizando um misto dos dois). A arquitetura básica dessa infraestrutura está ilustrada na Figura 4. Diferentes tecnologias de comunicação de dados precisarão ser utilizadas para cobrir todos os níveis de agregação de fluxos de dados e cenários de implantação. No nível de acesso (também conhecido como última milha ou Neighborhood Area Network), as coisas têm caminhado para uma combinação onde predominam tecnologias de rede sem fio do tipo mesh (topologia flexível e autoconfigurável) baseadas no padrão IEEE 802.15.4 e soluções de comunicação usando a própria rede elétrica, a chamada Power Line Communications (PLC).
  • 13. 13 A escolha entre essas duas abordagens principais precisa ser feita caso a caso e é grandemente influenciada pela geografia e densidade de pontos de uso da área ser coberta, além de outros fatores. Outras tecnologias, como Wi-Fi, certamente também encontrarão aplicação em condições específicas. Figura 4 - Arquitetura Básica da AMI. Fonte: (Electric Energy Publications, 2010) Para o nível de interconexão (que ligas as redes de borda com o centro, também conhecido como Wide Area Network), existe uma pletora de tecnologias maduras e implantadas largamente, que incluem PDH, SDH, ATM e Metro Ethernet (sobre diversos suportes físicos, como fibra e micro-ondas), e novas entrantes como WiMAX e LTE. Todas elas atendem perfeitamente os requisitos da Rede Elétrica Inteligente e não esperamos surpresas ou grandes avanços nessa área. E para integrar essa enorme diversidade de tecnologias de transporte nos diversos níveis da rede existe outra tecnologia testada e aprovada pela indústria de telecomunicações em escala global: A suíte de Protocolos da Internet. A camada de comunicações da Rede Elétrica Inteligente deverá ter como sua espinha dorsal o suporte ao IP nativo.
  • 14. 14 Além de toda essa demanda por capacidade de comunicação, a enorme massa de dados que será produzida por sensores os mais diversos precisará ser transformada em informação aplicável na tomada de decisões em todos os níveis, desde o automatizado em tempo real ao humano estratégico. Isto significa software de alta complexidade e massivas quantidades de processamento e armazenamento, configurando um cenário aparentemente propício para a abordagem de computação em nuvem. 2.2.3 Integração de Geração Renovável e Distribuída Acomodar um grande número de fontes de regime variável e dispersas geograficamente exigirá o desenvolvimento e implantação de tecnologias que ataquem o problema de duas direções: Diminuição do acoplamento entre produção e entrega de eletricidade, através da criação de buffers energéticos escaláveis, baratos e eficientes, e aumento da capacidade de coordenação e controle não apenas de fontes, mas também de cargas. Essa é uma área tecnológica que está se desenvolvendo rapidamente e deve trazer grandes avanços na forma de equipamentos de condicionamento de energia em larga escala, eletrônica e software embarcados de medição e controle para sistemas de geração e novas tecnologias de armazenamento de energia. Um salto também será necessário na sofisticação dos sistemas de informação que suportam a operação do sistema elétrico de potência (EMS, DMS, OMS, SCADA, GIS) para que eles possam modelar apropriadamente esses novos componentes do sistema (ver seção 2.2.2).
  • 15. 15 2.2.4 Aperfeiçoamento da Transmissão O grande objetivo desta área tecnológica é aumentar a estabilidade e eficiência das linhas de transmissão de alta tensão e potência, problema tão mais importante quanto mais interconectado é o sistema de transmissão. E o sistema de transmissão de uma Rede Elétrica Inteligente é, por definição, altamente interligado, uma vez que precisa suportar a desregulação na compra e venda de energia. As inovações nessa área são muitas, entre elas: Sistemas de Transmissão AC Flexíveis (em inglês, FACTS); Avaliação Dinâmica de Linha (DLR) e Supercondutores em Alta Temperatura (HTS). A tecnologia FACTS é basicamente o uso de eletrônica de (alta) potência (especialmente tiristores) para viabilizar o chaveamento ultra-rápido de bancos de capacitores e indutores para dentro e para fora da linha de transmissão e dessa forma atingir um controle fino da potência reativa circulando no sistema. Esse controle fino permite maximizar a transferência de potência útil e regular a tensão na linha, aumentando eficiência e a estabilidade do sistema e a qualidade da energia fornecida. No caso da DLR, o objetivo é utilizar as linhas de transmissão em sua capacidade máxima instantânea ao invés de nivelar por valores de pior caso. Acontece que a capacidade de carga de uma linha de transmissão depende de condições ambientais que variam ao longo do tempo, como, por exemplo, a temperatura e a umidade relativa do ar. A DLR prevê o emprego de sensores ao longo da linha para determinar os valores atuais de parâmetros ambientais e ajustar a utilização da linha em tempo real, obtendo níveis de utilização superiores aos permitidos por uma estratégia estática ou simplesmente sazonal. Por fim, o uso de HTS tem grande potencial de redução de perdas de transmissão e de viabilização econômica de dispositivos limitadores de corrente de falha em linhas de transmissão (em inglês, FCLs). O fato de esses supercondutores funcionarem em temperaturas relativamente altas permite a substituição do hélio líquido, caro e de difícil manuseio, por fluidos resfriadores mais baratos e seguros como nitrogênio. Os FCLs,
  • 16. 16 especialmente, são avidamente esperados pela indústria como solução para o problema clássico de controle da corrente de falha, à medida que a rede vai sendo expandida e os valores máximos vão crescendo e tornando as proteções instaladas subdimensionadas. FCLs baseados em tecnologia HTS seriam uma solução economicamente viável de limitação de corrente de falha, sem o efeito colateral de inserção de impedâncias espúrias significativas, característico de outras abordagens. De uma forma geral, as tecnologias nesta área estão relativamente maduras, com exceção dos dispositivos HTS, que ainda requerem maior desenvolvimento para serem utilizados em escala comercial. 2.2.5 Gerenciamento de Rede de Distribuição Entenda-se por gerenciamento da rede de distribuição essencialmente a transposição de todas aquelas tecnologias e ferramentas já utilizadas em alguma medida nos segmentos de geração e transmissão agora para os estágios de baixa tensão do sistema elétrico de potência. A instrumentação da rede elétrica com sensores e atuadores para medição e controle, a integração de uma infraestrutura de comunicação e análise de dados, a acomodação da geração distribuída de pequeno porte de forma segura, através da utilização de buffers de armazenamento de energia e coordenação automatizada de despachos, a garantia da estabilidade e eficiência do sistema através do controle fino da potência reativa e métodos automatizados de proteção e recuperação de falhas, tudo isso precisará ser adaptado e estendido para o domínio da baixa potência e alta capilaridade e complexidade topológica. De forma análoga ao aperfeiçoamento da transmissão (ver seção 2.2.4), mas em maior volume e com maior diversidade, são várias as tecnologias que estão sendo incorporadas à rede de distribuição, entre elas: Capacitores, chaves seccionadoras e chaves religadoras automatizadas; Geração e armazenamento distribuídos e controlados remotamente; Sensores embarcados nos transformadores; Sensores de fios e cabos; Sistemas de informação sofisticados de suporte à operação: GIS, OMS, DMS
  • 17. 17 Essa é uma área tecnológica ainda em desenvolvimento e que apresenta um ritmo moderado de adoção. Uma aceleração é esperada à medida que as outras áreas correlatas do domínio de distribuição ganhem tração (ver seções 2.2.6, 2.2.7 e 2.2.8). 2.2.6 Infraestrutura Avançada de Medição A implantação de uma Infraestrutura Avançada de Medição (em inglês, AMI) similar à ilustrada na Figura 4 pode ser considerada a ponta de lança da Rede Elétrica Inteligente. Uma vez que estejam no lugar medidores eletrônicos inteligentes e a infraestrutura de comunicação de dados associada, uma imensa capacidade de sensoriamento e atuação estará disponível, o que habilitará a adoção de técnicas sofisticadas de gerenciamento da rede de distribuição e também a implantação de processos de gerenciamento pelo lado da demanda. As tecnologias-chave nesta área são todas maduras e largamente utilizadas em diversas indústrias e domínios de aplicação: Medidores inteligentes: Não são mais que um módulo metrológico de estado sólido (sensor, conversor A/D e processador digital de sinais) conectado a um computador embarcado equipado com capacidade de armazenamento e comunicação de dados, todas elas tecnologias estabelecidas há décadas; Infraestrutura de comunicação de dados: Já discutida na seção 2.2.2; Sistemas de Retaguarda: Sistemas de informação que suportam o processo de medição automatizada (Head-End Systems e Meter Data Management System). Com as tecnologias de base todas consolidadas, as grandes inovações nessa área deverão vir das aplicações construídas sobre essa infraestrutura e que cruzem as fronteiras com as outras áreas vizinhas: Gerenciamento da Distribuição (seção 2.2.5), Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos (seção 2.2.7) e Sistemas do Lado Consumidor (seção 2.2.8). Possíveis aplicações incluirão, além da própria medição tradicional de consumo:
  • 18. 18 Diagnóstico e Localização de Falhas na Rede Elétrica; Detecção de Fraude; Pré-pagamento de Energia Elétrica; Resposta a Demanda e Controle de Carga (DRLC); Serviços de Gerenciamento de Energia; Automação Predial; Cobrança individualizada de carga de veículos elétricos. 2.2.7 Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos Embora a grande maioria dos veículos elétricos recarregáveis possa realizar a recarga a partir de uma tomada convencional, a adoção em massa dos mesmos exigirá a disponibilização de uma infraestrutura pública de recarga que dê aos motoristas maiores autonomia, agilidade e independência de acesso a instalações privadas. Uma infraestrutura de carga precisa, além de fornecer a função básica de carga, resolver questões de cobrança, agendamento e cooperação com a rede elétrica para fins de estabilidade e eficiência sistêmica. As tecnologias que estarão no centro dessa solução já estão identificadas: Carregadores Rápidos Inteligentes: Fornecem corrente contínua em alta tensão diretamente para a bateria do veículo, contornando o circuito de carga interno do mesmo e possibilitando tempos de carga abaixo de 30 minutos. Além de fornecer energia, estabelecem também uma conexão de dados com o veículo que permite troca de parâmetros de carga, ajuste dinâmico do fluxo de potência e mecanismos de segurança como intertravamento (safety interlock); Infraestrutura de Comunicação de Dados: Já discutida na seção 2.2.2; Aplicações de Software e Protocolos: Sistemas de informação distribuídos que implementam funções como Cobrança, Agendamento Rede-para-Veículo (Grid-toVehicle), Regulação Veículo-para-Rede (Vehicle-to-Grid) e integração com outras áreas tecnológicas (AMI, DMS, Sistemas do Lado Consumidor).
  • 19. 19 As tecnologias acima encontram-se ainda em fase de desenvolvimento, com diferentes graus de maturação, mas avançando rápido. As funções mais básicas de carregamento rápido e cobrança já se encontram em teste no mercado, enquanto mecanismos mais sofisticados de apoio à rede elétrica devem vir no longo prazo. É o caso do auxílio à estabilização e regulação da rede através do fornecimento de reservas de capacidade, substituição de geração na ponta (peak load shaving) e buffers de energia. 2.2.8 Sistemas do Lado Consumidor Habilitar a participação consciente e informada dos consumidores na gestão do sistema elétrico é um dos principais objetivos e benefícios esperados da Rede Elétrica Inteligente. Acredita-se que significativos ganhos de eficiência e redução de consumo de pico podem ser conseguidos com a inclusão de consumidores e seus eletrodomésticos na cadeia de decisão e controle que regula o sistema como um todo, bem como com a disseminação de tecnologias de geração e armazenamento local de energia. Os Sistemas do Lado Consumidor compreendem todas as tecnologias que ajudam a gerenciar o consumo de energia nos níveis industriais, comerciais e residenciais, incluindo: Eletrodomésticos Inteligentes: Fornecem uma interface programática padronizada para recebimento de sinais de preço e controle, de forma a possibilitar a integração com sistemas de Resposta a Demanda e Controle de Carga (em inglês, DRLC); Sistemas de Automação Predial: Sistemas distribuídos de sensores, atuadores e controladores que monitoram e controlam o desempenho e saúde dos sistemas mecânicos, elétricos e de iluminação de uma instalação predial; precisam também fornecer uma interface para integração com DRLC; Geração Local: Eletrônica e software embarcados de medição e controle para sistemas de geração e armazenamento de pequeno porte; novas tecnologias de armazenamento doméstico;
  • 20. 20 Armazenamento Local: O maior avanço nessa área tem sido o uso de acumuladores térmicos, que permitem o armazenamento de energia em forma de calor e têm se mostrado eficazes como forma de aumentar a viabilidade da geração solar; esses dispositivos são basicamente tanques de água com alta isolação térmica e um mecanismo de aquecimento como, por exemplo, uma bomba de calor; Aplicações de Software e Protocolos: Sistemas de Gerenciamento de Energia, aplicações para smartphones e tablets, todos integrados com DRLC. Muita inovação está acontecendo nessa área tecnológica, que se beneficia da enorme capacidade de processamento e comunicação de dados atualmente disponível em ambientes típicos residenciais, comerciais ou industriais. As maiores dúvidas se referem a questões comportamentais dos consumidores como, por exemplo, qual a melhor proporção entre mudança de comportamento estimulada e controle automatizado de carga. Vários projetos de pesquisam investigam essas questões ainda sem resultados conclusivos. A Tabela 1 traz um resumo de todas as áreas tecnológicas apresentadas acima. Tabela 1 – Sumário de Áreas Tecnológicas. Adaptado de (IEA, 2011). Área Tecnológica Hardware Sistemas e Software Controle e Monitoração de Área Ampla Sincrofasores e outros sensores Integração de Tecnologias da Informação e Comunicações Integração de Geração Renovável e Distribuída Equipamentos de rede (rádios, switches, roteadores, gateways) e computadores Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA), Sistemas de Monitoração de Área Ampla (WAMS), Proteção, Controle e Automação Adaptativos em Área Ampla (WAAPCA), Consciência Situacional de Área Ampla (WASA) Sistemas Corporativos (ERP), Sistemas de Gestão de Clientes (CIS) Equipamentos estabilizadores de alta potência, hardware de controle e comunicação para geração e tecnologias de armazenamento HTS, FACTS, HVDC Sistemas de Gerenciamento de Energia (EMS), Sistemas de Gerenciamento da Distribuição (DMS), SCADA, Sistemas de Informação Geográfica (GIS) Análise de Estabilidade de Rede, Sistemas de Recuperação Automática Capacitores, seccionadoras e religadoras automatizadas, geração e armazenamento distribuídos e controlados remotamente, sensores de fios, cabos e transformadores Medidores inteligentes, concentradores, equipamentos de rede GIS, DMS, Sistemas de Gerenciamento de Faltas (OMS), Sistemas de Gerenciamento de Ordens de Serviços (WMS) Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos Estações de Carga Sistemas de cobrança, Sistemas de coordenação veículo-rede Sistemas do Lado Consumidor Eletrodomésticos inteligentes, sistemas de automação predial, acumuladores térmicos Sistemas de gerenciamento de energia Aperfeiçoamento da Transmissão Gerenciamento de Rede de Distribuição Infraestrutura Avançada de Medição Sistema Head-end, Sistema de Gerenciamento de Dados de Medição (MDMS)
  • 21. 21 2.3 Recomendações às Empresas de Eletroeletrônica de Pernambuco A evolução dos Sistemas Elétricos de Potência em direção à visão sintetizada pelo conceito de Rede Elétrica Inteligente oferece, claramente, um enorme número de oportunidades para fornecedores de componentes, equipamentos, sistemas e serviços. Ao mesmo tempo, a estratégia recomendada para as empresas do ParTel, como forma de manter o risco em níveis moderados, é explorar novas oportunidades que exijam a aplicação de tecnologias que já estejam em uso pelas próprias empresas ou pelo mercado em geral (Peixoto & Macedo, 2013). Na verdade, sob uma perspectiva unicamente de controle de riscos tecnológicos, quanto mais próximas as oportunidades estiverem do domínio de aplicação e das competências essenciais dominadas pelas empresas, melhor. Com base nessa estratégia geral e analisando a paisagem tecnológica descrita anteriormente, podemos tecer algumas considerações e levantar algumas hipóteses para futuras análises e estudos específicos. As áreas tecnológicas classificadas como Integração de Tecnologias da Informação e Comunicações (seção 2.2.2) e Infraestrutura Avançada de Medição (seção 2.2.6) são candidatas óbvias a serem exploradas pelas empresas do parque, especialmente Elcoma e Serttel. São áreas tecnológicas maduras e intensivas em conhecimentos e capacidades dominados por ambas as empresas (internamente ou através de parceiros), notadamente a integração de sistemas de TIC, o desenvolvimento de software e o desenvolvimento/integração de equipamentos eletrônicos de baixa potência e complexidade. Além disso, são áreas onde se espera um crescimento acelerado nos próximos anos. Exemplos de oportunidades nessas áreas são o fornecimento de: Serviços de comunicação de dados para as aplicações da Rede Elétrica Inteligente; Sistemas de AMI: Medidores inteligentes, módulos de comunicação, concentradores, sistemas head-end; Serviços de instalação, operação e manutenção da AMI. Em um segundo nível de risco encontramos a área de Sistemas do Lado Consumidor (seção 2.2.8). As tecnologias nessa área estão em fases diversas de maturidade, mas avançam rápido e têm absorção relativamente fácil. Levando em consideração algumas das disciplinas
  • 22. 22 e competências envolvidas, como integração de sistemas de automação e controle, desenvolvimento/integração de eletrônica industrial e desenvolvimento de software, essa área poderia ser uma boa avenida para as empresas Tron, Neiva’s e Serttel. Entre as possíveis oportunidades a explorar teríamos: Equipamentos Industriais com suporte a DRLC; Sistemas ou serviços de Automação Predial com suporte a protocolos de DRLC; Sistemas ou serviços de Gerenciamento de Energia para consumidores industriais, comerciais e residenciais com suporte a DRLC. Infraestrutura de Carga de Veículos Elétricos (seção 2.2.7) forma o nível três de risco tecnológico, com tecnologias ainda em desenvolvimento e de absorção mais difícil quando comparadas com o nível dois, mas com tendência de crescimento acelerado nos próximos anos. As principais capacidades requeridas nessa área são integração de sistemas e desenvolvimento/integração de equipamentos eletrônicos de alta potência. Embora a tecnologia dos componentes básicos envolva conhecimentos e habilidades fora da experiência central das empresas do parque, existe espaço para integração de sistemas no nível da estação de carga e, principalmente, do serviço final. Considerando a experiência da Serttel em prover serviços de operação e manutenção de equipamentos urbanos, o desenvolvimento de um Serviço de Carga de Veículos Elétricos pode fazer sentido. As áreas tecnológicas restantes – Controle e Monitoração de Área Ampla (2.2.1), Integração de Geração Renovável e Distribuída (2.2.3), Aperfeiçoamento da Transmissão (2.2.4) e Gerenciamento de Rede de Distribuição (2.2.5) – formam um último nível de risco mais alto. Todas elas têm tecnologias ainda em desenvolvimento e, principalmente, bastante deslocadas em relação aos domínios de aplicação e competências das empresas do Parqtel. Ainda assim, algumas possibilidades podem ser vislumbradas, especialmente para as empresas Neiva’s e Tron, caso queiram explorar um pouco mais longe: Sensores de linhas e cabos conectados em rede para uso em aplicações de Avaliação Dinâmica de Linha nas redes de transmissão e distribuição; Capacitores e dispositivos de manobra automatizados. Reiteramos que as considerações e hipóteses levantadas nesta seção são preliminares e unicamente baseadas em aspectos tecnológicos. Quaisquer decisões de investimentos
  • 23. 23 requereriam uma análise muito mais detalhada e que incorporasse diversas outras questões, entre elas aspectos de mercado, aspectos financeiros e aspectos operacionais, além de um aprofundamento da própria questão tecnológica.
  • 24. 24 3 Conclusão Neste relatório, apresentamos algumas das principais tendências e oportunidades de inovação tecnológica que impactam no setor de Eletroeletrônica especificamente no que se refere a área de Redes Eletricas Inteligentes. Vimos que área de Tecnologia da Informação e Comunicações permeia todos os domínios da Rede Elétrica Inteligente, na forma de equipamentos de comunicação, computadores e softwares. E que todas giram em torno da integração de tecnologias da informação e comunicações avançadas à infraestrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, como forma de atingir os níveis superiores de confiabilidade, eficiência e flexibilidade. Também vimos que uma rede elétrica é um sistema extremamente complexo, assim a automação desse sistema deverá ser o próximo passo tecnológico para o setor, que deve adotar o emprego de sensores e sistemas computacionais e de telecomunicações a fim de melhor aproveitar as tendências futuras do sistema. Por fim, no contexto local, demonstramos como o conceito de Rede Elétrica Inteligente oferece um leque de oportunidades para as empresas pernambucana, como fornecedores de componentes, equipamentos, sistemas e serviços. Assim, sugerimos reduzir os risco nesta fase inicial de entrada no mercado através da aplicação de tecnologias que já estejam em uso pelas próprias empresas do setor.
  • 25. 25 4 Referências Centro de Gestão e Estudos Estratégicos. (2012). Redes Elétricas Inteligentes: Contexto Nacional. DOE. (2009). Smart Grid System Report. Acesso em Maio de 2013, disponível em http://www.smartgrid.gov/sites/default/files/pdfs/sgsr_main.pdf Electric Energy Publications. (2010). Internet Standards Come to the Advanced Metering Infrastructure. Acesso em Maio de 2013, disponível em Electric Energy Online: http://www.electricenergyonline.com/?page=show_article&article=525 Empresa de Pesquisa Energética. (2012). Projeção da Demanda de Energia Elétrica. IEA. (2011). Technology Roadmap - Smart Grids. Acesso em Maio de 2013, disponível em http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/smartgrids_roadmap.pdf IEA. (2012). Key World Energy Statistics 2012. Acesso em Maio de 2013, disponível em http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/kwes.pdf Ipakchi, A. (2007). Implementing The Smart Grid: Enterprise Information Integration. Acesso em Maio de 2013, disponível em GridWise Architecture Council: http://www.gridwiseac.org/pdfs/forum_papers/121_122_paper_final.pdf Lerner, E. J. (2003). Whats Wrong with The Electric Grid. Acesso em Maio de 2013, disponível em The Industrial Phycisist: http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-9/iss5/p8.pdf Ministério das Minas e Energia. (2010). Smart Grid. NAE. (2003). Greatest Engineering Achievements of The 20th Century. Acesso em Maio de 2013, disponível em http://greatachievements.org/ NIST. (2010). NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards. NIST. (2012). Cyber-Physical Systems: Situation Analysis of Current Trends, Technologies and Chalenges.
  • 26. 26 Operador Nacional do Sistema. (2013). Conheça o Sistema - O que é o SIN - Sistema Interligado Nacional. Acesso em Maio de 2013, disponível em Operador Nacional do Sistema Elétrico: http://www.ons.org.br/conheca_sistema/o_que_e_sin.aspx Peixoto, E., & Macedo, B. (2013). Levantamento do Contexto e Oportunidades de Negócio para as Empresas do ParqTel. Recife. Universidade de Campinas. (2005). O Sistema Elétrico Brasileiro. Acesso em Maio de 2013, disponível em http://www.dca.fee.unicamp.br/projects/vdx/siqueira/eletr.html