Fonte: generatorsource.com
O conceito de microrredes existe há muitos anos. Só recentemente eles ganharam força e pressão significativa, pois muitos novos projetos se tornaram realidade e estão sendo colocados em produção. A Bloom Energy informou recentemente que 500 novas microrredes estão em processo ou sendo implantadas a partir deste ano (2019) e os totais mundiais estão na faixa de múltiplos GW.
No fundo, uma microrrede é um sistema de rede elétrica em miniatura configurado para gerenciar recursos de energia distribuídos e pode incluir fontes renováveis (solar, eólica e/ou hidrelétrica) com outras fontes não renováveis (como geradores a diesel, turbinas a gás, etc). Essas microrredes normalmente gerenciam as cargas de energia de sistemas de geração múltipla e também usam algum tipo de sistema de armazenamento de energia. Eles trabalham e gerenciam tudo isso com diferentes tipos de software e sistemas de controle. Eles podem ser configurados para operar em paralelo com a rede elétrica e também para funcionar de forma autônoma durante emergências ou com base em necessidades específicas.
Fundamentos da Microrrede - O que é uma Microrrede
O Departamento de Energia dos EUA (DOE) define uma microrrede como "Um grupo de cargas interconectadas e recursos de energia distribuídos dentro de limites elétricos claramente definidos que atuam como uma única entidade controlável em relação à rede. Uma microrrede pode se conectar e desconectar da rede para permitir que ele opere nos modos de rede e ilha".
Além disso, o DOE afirma que "as microrredes foram identificadas como um componente-chave da rede inteligente para melhorar a confiabilidade e a qualidade da energia, aumentando
eficiência energética do sistema e fornecendo a possibilidade de independência da rede para locais de usuários finais individuais". Os benefícios do uso da tecnologia de microrrede podem ser:
- Integra-se com a grade e várias tecnologias de rede inteligente
- Integração de energias distribuídas e renováveis, reduzindo a carga de ponta
- Garante que a energia seja fornecida a complexos com necessidades críticas de energia
Outras organizações definem microrredes de forma semelhante, incluindo o conceito de cargas múltiplas e geração de ilhas. A geração na ilha é a energia fornecida por geração eólica, solar, hidrelétrica ou geração a diesel/GN.
A ilustração no primeiro gráfico é uma microrrede que usa energia elétrica como fonte primária. O parque eólico e solar alimenta um banco de baterias para uso de emergência quando a energia elétrica é perdida. Ambos são normalmente conectados à rede para reduzir os custos operacionais da instalação. Quando a energia da rede elétrica é perdida, o complexo é trocado para a energia da bateria da instalação eólica e solar. Os geradores partem e assumem a carga das baterias. Os edifícios do lado da carga do circuito não sofrem nenhuma flutuação de energia devido ao projeto da rede de distribuição. Quando a energia da rede elétrica é devolvida, a carga é devolvida à rede elétrica e os geradores de reserva são desligados. Parque eólico e solar retornam à operação normal.
Muitos fatores entram no projeto e na construção de uma microrrede. Os avanços nas tecnologias de geração e distribuição de energia permitem sistemas que reduzem o consumo de energia, usam métodos de geração ecológica e atendem aos requisitos críticos de fornecimento de energia. As informações básicas para cada uma das fontes de energia e os sistemas de controle são descritas abaixo. A construção desta microrrede é fictícia, mas modelada em conceito de projetos do DOE.
Energia e Cargas de Utilidades
As microrredes mais comuns usam a energia da concessionária fornecida pela empresa de energia local como fonte principal. As microrredes localizadas em locais remotos podem usar a geração hidrelétrica como energia primária ou empregar usinas geradoras de combustível fóssil como energia primária.
As usinas geram eletricidade de alta tensão. Alguns usam transformadores elevadores para aumentar a tensão para transferência para subestações. As subestações recebem tensão das usinas por linhas de alta tensão. As tensões são ajustadas às necessidades e distribuídas aos clientes.
Hospitais, instalações correcionais estaduais e centros de dados são alguns dos setores que exigem uma fonte de energia ininterrupta (UPS). Muitos têm vários edifícios que requerem energia constante. Alguns dos edifícios podem ter áreas que requerem uma fonte de alimentação isolada devido aos requisitos de tensão, amperagem e/ou frequência.
Essas instalações consomem uma grande quantidade de energia para conduzir as operações diárias normais. Eles recebem energia de linhas de alta tensão em uma subestação dedicada ao complexo. A tensão é ajustada aos níveis desejados usando transformadores elevadores ou redutores. Toda a energia é encaminhada através de painéis de comutação e controle para distribuição em todos os edifícios.
Cada edifício representa uma carga elétrica. É possível ter mais do que uma carga dedicada a um edifício. Um exemplo de um ponto de carga secundário em um edifício é um conversor de frequência. Um pico de tensão positivo e um pico de tensão negativo equivalem a um ciclo (Hz). A alimentação comum é de 50 Hz ou 60 Hz. Alguns equipamentos requerem uma fonte de alimentação de 400 Hz para operar. Os conversores de frequência mudam de 50 Hz ou 60 Hz para 400 Hz. Existem muitos outros exemplos de pontos de carga secundários em um edifício. No projeto de microrrede, todos são controlados a partir de um único ponto.
Potência do gerador de backup e demanda de pico
Os geradores de backup fornecem energia à rede quando a energia da rede elétrica falha. O gerador é composto por um motor e alternador (extremidade do gerador). Os motores movidos a gás natural (GN) e a diesel são o padrão da indústria. Os motores movidos a GN podem operar indefinidamente, desde que o fornecimento de gás não seja interrompido. A energia de backup não está disponível quando o fornecimento é garantido.
Os geradores com motores a diesel podem operar quando toda a infraestrutura falhar, incluindo o fornecimento de gás natural. Os tanques principais de abastecimento de combustível devem ser monitorados e reabastecidos quando estiverem baixos. Os sistemas automatizados podem notificar o operador quando os níveis do tanque estiverem em um ponto predeterminado para eliminar o desligamento por falta de combustível.
Aplicações de Geradores Internos
O motor, os sistemas de resfriamento e as extremidades do gerador são todos montados em um skid fabricado com vigas de aço. O skid é montado no chão do edifício. Montagens de borracha são usadas em locais importantes para reduzir a vibração durante a operação.
Este gerador de estilo não possui tanques de combustível e requer um suprimento externo de combustível. Grandes tanques de combustível primário podem abastecer tanques diurnos. Eles devem ter a exaustão do edifício e o fornecimento de ar de resfriamento ou um sistema de resfriamento de reposição, como um trocador de calor (HEX) instalado.
Aplicações de Geradores Externos
Geradores que são usados ao ar livre são montados em um invólucro resistente ou à prova de intempéries. Muitos gabinetes são atenuados para reduzir o ruído operacional. O gerador é montado em um skid em um tanque de combustível de parede dupla. Esses geradores não possuem requisitos externos de combustível, exaustão ou sistema de resfriamento. Conecte os cabos de potência de saída ao gerador e ele está pronto para assumir a carga.
Ambos os estilos de geradores estão disponíveis com controles eletrônicos avançados e podem ser operados em paralelo. Um barramento de gerador de backup dividido pode ser organizado para fornecer grandes quantidades de diferentes tensões. Para ver nosso estoque de geradores novos e usados, acesse Generator Source. Fornecemos serviços de geradores, como manutenção, solução de problemas e reparos, instalação.
Geração de Energia Verde
A Agência de Proteção Ambiental (EPA) define energia verde como eletricidade produzida a partir de sistemas solares, eólicos, geotérmicos, biogás, biomassa e hidrelétricos. Nosso modelo incluía energia eólica e solar. Possíveis usos são explorados abaixo.
Energia solar
Os painéis solares são compostos por células fotovoltaicas. Essas células convertem a luz do sol em eletricidade de corrente contínua (CC). A eletricidade criada é armazenada em bancos de baterias. Uma vez que os bancos de baterias estejam totalmente carregados, a eletricidade pode ser encaminhada de volta usando um inversor e vendida.
O inversor é o coração do sistema UPS. Quando a energia é perdida, as baterias fornecem energia aos circuitos que possuem requisitos críticos de energia. O inversor muda de CC para Corrente Alternada (CA) para fornecer circuitos enquanto os geradores de backup se preparam para aceitar a carga.
Força do vento
O vento é usado para girar turbinas. As turbinas produzem eletricidade CA da mesma forma que os geradores movidos a diesel e a vapor funcionam. As turbinas eólicas também podem ser conectadas à rede elétrica da rede elétrica de backup de bateria UPS.
As turbinas conectadas à rede elétrica devem corresponder à fase e à frequência. Para combinar a fase e a frequência da rede, a energia da turbina é roteada através de um conversor CA para CA. A CA é convertida em CC, em seguida, retificada de volta para CA com um inversor e roteada para a rede. A corrente CA da turbina eólica também pode ser encaminhada através de um conversor para auxiliar no carregamento do banco de baterias.
As energias solar e eólica são ótimos métodos para compensar os custos de consumo de energia do edifício, mas não se desenvolveram o suficiente para aceitar tarefas de energia de backup. Ambos dependem das condições climáticas localizadas e dos bancos de baterias disponíveis. Em um dia nublado sem vento, os bancos de baterias podem se esgotar rapidamente sem esforços de carregamento.
Bancos de bateria de backup
As soluções de energia verde geralmente empregam o uso de bancos de baterias de backup. Esses bancos fornecem apenas energia momentânea do UPS. Eles são projetados para fornecer energia quando a rede elétrica falha na instalação, enquanto os geradores iniciam para assumir a carga.
Os sistemas de bateria de backup podem ser construídos com três estilos diferentes de bancos de baterias listados abaixo:
Células de chumbo-ácido - Baterias com células de chumbo-ácido são a solução mais barata. Estas podem ser uma boa resposta fora da rede para aplicações menores
Lithium Ion - Mais leve e mais compacta e dura mais do que as baterias de chumbo-ácido. Porém são mais caros
Água salgada - Este recém-chegado depende de eletrólitos em água salgada. As baterias não são testadas, mas são facilmente recicladas
Os bancos de baterias movidos a energia eólica são carregados por um conversor que muda de CA para CC. As baterias movidas a energia solar não precisam de um conversor porque os painéis solares geram CC.
Quando a energia da rede elétrica é perdida, há quase um milissegundo de perda de tempo para resposta positiva do gerador.
Instalações e complexos como hospitais, centros de dados e municípios têm tolerância zero para perda de energia. Eles contam com bancos de baterias para fornecer energia no ínterim de uma perda de energia da rede elétrica. Esta é uma ótima solução de curto prazo, mas os bancos de baterias têm suas limitações.
Baterias com a capacidade de aceitar carga elétrica são caras para uma compra inicial. As baterias de chumbo-ácido têm eletrólito é o líquido nas células da bateria. O nível de eletrólito e a gravidade específica devem ser verificados com frequência. Mesmo com manutenção cuidadosa, a vida útil dessas baterias pode ser de apenas 5 a 15 anos.
Custo de energia renovável e sistemas de armazenamento de energia
Recursos de energia renovável, como parques eólicos, parques solares e geração hidrelétrica, têm um alto preço de compra inicial. Técnicos experientes e equipes de construção são necessários para instalar o equipamento adquirido. Após a instalação, teste e comissionamento, o equipamento deve ser mantido. Freqüentemente, uma equipe de manutenção em tempo integral é necessária para manter o equipamento funcionando de acordo com as especificações.
O armazenamento de energia está avançando rapidamente e será um elemento-chave no futuro das microrredes. Pode ser um assunto altamente complexo e requer engenheiros e planejamento, e os custos variam de acordo com suas necessidades. A Microgrid Knowledge tem um excelente artigo recente sobre alguns dos desenvolvimentos mais recentes em armazenamento de energia da conferência de 2019 para mergulhar aqui. Eles detalham o caminho para GW de meta de armazenamento de energia e as últimas notícias de empresas e políticas da FERC que estão sendo implementadas.
Estação de controle
A estação de controle fornece ao operador recursos de controle e monitoramento. Cada sistema pode ser dividido em um subsistema que possui equipamentos individuais dentro dele.
Painéis de distribuição e controle - recebem tensões de entrada de todas as fontes e distribuem energia para os circuitos necessários.
Geradores de backup - O software da estação de controle monitora e tem a capacidade de alterar a configuração de funcionamento do gerador para fornecer energia aos circuitos críticos.
Green Power - os bancos de bateria do UPS são monitorados. A entrada de energia solar nos bancos de baterias e na rede é monitorada. Estatísticas da turbina eólica monitoradas. A capacidade de mudar para uma turbina eólica redundante ou banco de baterias.
Basicamente, a estação de controle fornece uma solução de software para manter, monitorar e controlar todo o hardware associado a uma configuração de microrrede. Pode haver vários softwares que suportam as operações da grade.
A redundância é um princípio fundamental no projeto desses sistemas. Redundância é ter um suporte pronto para um equipamento em caso de falha do equipamento principal. Geradores, turbinas eólicas e bancos de baterias são exemplos de sistemas que podem ter equipamentos principais e de suporte redundantes.
Alguns equipamentos redundantes assumem automaticamente as funções do equipamento principal atribuído e notificam o operador sobre um problema. O operador da estação de controle então notifica a manutenção do problema para que ele possa ser corrigido. O equipamento redundante atende aos mesmos requisitos do equipamento principal. Freqüentemente, os equipamentos principais e redundantes são trocados pelo operador para testes programados.
A microrrede é um conceito. Pode ser um projeto tão grande ou tão pequeno quanto necessário para a instalação. Este é um conceito antigo que veio para ficar. À medida que a tecnologia de geração de energia aumenta, também aumenta o uso de microrredes.